Bezpieczeństwo energetyki jądrowej i perspektywy jej rozwoju w Polsce

Źródło: EKOATOM,

Autor:
Prof. dr hab. inż. Jan Składzień
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach

Wstęp

Jednym z głównych problemów społeczeństw w krajach rozwiniętych jest obecnie zapewnienie odpowiednich dostaw energii, w tym szczególnie energii elektrycznej, przy spełnieniu odpowiednich uwarunkowań środowiskowych. W sektorze wytwarzającym elektryczność można ogólnie wyróżnić trzy grupy producentów tego nośnika energii. Najbardziej rozwinięty na świecie, a zdecydowanie dominujący w Polsce, wytwórczy podsektor energetyczny to elektrownie wykorzystujące tradycyjne paliwa węglowe i węglowodorowe: węgiel kamienny i brunatny, paliwa ciekłe oraz gaz ziemny. Grupę drugą stanowią instalacje korzystające ze źródeł naturalnych, głównie pochodzenia słonecznego i są to tzw. odnawialne źródła energii oraz „wielka” energetyka wodna. Trzecia część rozpatrywanego sektora to elektrownie jądrowe, wykorzystujące ciężkie izotopy rozszczepialne. W środowisku polskich energetyków można spotkać się z opinią, że w następnej dekadzie elektryczność powinna być w Polsce wytwarzana w wymienionych podsektorach energetycznych w proporcji 70: 15: 15. Wymaga to oczywiście rozbudowy w racjonalny sposób odnawialnych źródeł energii oraz budowy bezpiecznych i efektywnie działających bloków jądrowych.

Krótka historia rozwoju reaktorów jądrowych

Pierwszy reaktor jądrowy w historii ludzkości został uruchomiony 2 grudnia 1942 r., o godz. 1525, na terenie uniwersytetu w Chicago. Celem tego eksperymentalnego przedsięwzięcia była realizacja kolejnego etapu prac zmierzających do wytworzenia nowego typu broni wykorzystującej energię wiązań jądrowych. Reaktor, nazwany stosem chicagowskim, miał rdzeń zbudowany z metalicznego uranu naturalnego oraz z moderatora grafitowego. Taki skład rdzenia pierwszego układu reaktorowego wiązał się z bardzo poważnymi konsekwencjami przyszłościowymi, zarówno w odniesieniu do sfery militarnej, jak też do energetyki jądrowej. O wykorzystaniu tej energetyki do wytwarzania elektryczności nikt zresztą w chwili uruchamiania pierwszego stosu jądrowego nie myślał. Celem było tu przede wszystkim doprowadzenie do samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej opartej na neutronach termicznych, a więc spowolnionych. Spowalniaczem, czyli moderatorem, były jądra pierwiastka węgla zawarte w graficie. Reaktory grafitowe posłużyły następnie do produkcji plutonu, który wykorzystano w pierwszej doświadczalnej bombie atomowej zdetonowanej 16 lipca 1945 roku w stanie Nowy Meksyk, w odległości ok. 320 km od Los Alamos. Ładunek plutonowy znajdował się również w bombie atomowej zrzuconej 9 sierpnia 1945 nad Nagasaki (bomba atomowa zdetonowana nad Hiroszimą 6 sierpnia 1945 wykorzystywała izotop uranu U-235). W przypadku obu typów bomb atomowych wybuch trwa przez niezwykle krótką chwilę, a reakcję łańcuchową podtrzymują prędkie neutrony natychmiastowe. Należy tu zaznaczyć, że przebieg reakcji łańcuchowej w przypadku ładunku nuklearnego w reaktorze jądrowym jest zupełnie odmienny, mimo wykorzystania w obu przypadkach procesu rozszczepienia jąder ciężkich w celu uwolnienia energii wiązania tych jąder. Nieuzasadnione jest, zatem stwierdzenie, z jakim spotkać się można było jeszcze do niedawna, że w określonych warunkach w reaktorze jądrowym może zaistnieć niekontrolowana reakcja łańcuchowa tego typu, jak w przypadku bomby A.

Reaktory jądrowe z uranem naturalnym, moderowane grafitem, służyły w pierwszym okresie swojego istnienia wyłącznie, jako urządzenie produkujące pluton do celów militarnych. Po kilku latach jednak aktualna zaczęła być koncepcja zastosowania tego typu reaktorów do celów energetycznych. Powodem był tu fakt, że uran o naturalnym składzie izotopowym może być stosowany, jako paliwo w reaktorach termicznych tylko wówczas, gdy moderatorem jest grafit lub ciężka woda D2O. Wzbogacanie uranu w rozszczepialny izotop U-235 stanowiło wówczas poważny problem techniczny, ale także produkcja ciężkiej wody z wody „naturalnej” była i jest procesem bardzo energochłonnym.
Po raz pierwszy, w symbolicznej zresztą ilości, otrzymano prąd elektryczny w układzie z wojskowym, plutonowym, powielającym reaktorem jądrowym EBR-1, w Stanach Zjednoczonych 20 grudnia 1951 roku. 27 czerwca 1955 roku z kolei uruchomiono w Obnińsku (ZSRR) blok jądrowy z reaktorem grafitowym o mocy elektrycznej 5 MW, uważany za pierwszą na świecie elektrownię jądrową. Efektem dalszego rozwoju tego typu reaktorów uranowo – grafitowych, chłodzonych wodą i moderowanych grafitem, jak w Obnińsku, były reaktory jądrowe RBMK (Rieaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj), oznaczane także symbolem LWGR (Light Water Graphite Reactor). Reaktory takie pracowały m. in. w EJ Czarnobyl i ich 11 egzemplarzy wciąż jeszcze jest w Rosji eksploatowanych (Sosnowy Bór koło Sankt Petersburga, Kursk i Smoleńsk).

Inną grupę reaktorów grafitowych stanowią reaktory chłodzone CO2 z domieszką CO. Reaktory takie, wykorzystujące uran o składzie naturalnym, były głównie przedmiotem zainteresowania energetyków europejskich we Francji i w Wielkiej Brytanii. Pierwszy blok o mocy elektrycznej 50 MW, pierwszej na świecie elektrowni jądrowej traktowanej, jako komercyjna, miał taki właśnie reaktor i został on uruchomiony w październiku 1956 w brytyjskiej elektrowni Calder Hall. O ile energetyka francuska jednak zaczęła rozwijać się następnie w oparciu o reaktory wodne ciśnieniowe, o tyle w Wielkiej Brytanii reaktory grafitowo – gazowe dotąd stanowią źródło ciepła w elektrowniach jądrowych, przy czym reaktory te zmodyfikowano tak, iż w nowszej wersji wykorzystują one uran w niewielkim stopniu wzbogacony w izotop U-235.

Najbardziej obecnie rozpowszechnione reaktory energetyczne, moderowane i chłodzone „lekką” wodą, również zaczęto rozwijać głównie z myślą o zastosowaniach militarnych, choć tu cel był zupełnie inny niż w przypadku reaktorów grafitowych. W przeciwieństwie do energetycznych reaktorów grafitowych chłodzonych CO2, reaktory lekkowodne, nawet o dużych mocach cieplnych, mają relatywnie bardzo małe wymiary. Optymalny stosunek objętości moderatora i paliwa, wynikający z przesłanek fizycznych i ekonomicznych, a w przypadku reaktorów wodnych również z zasad bezpieczeństwa, jest dla reaktorów wodnych znacznie mniejszy niż w przypadku reaktorów grafitowych. Ponadto współczynniki wnikania (przejmowania) ciepła od powierzchni prętów paliwowych przez medium gazowe są o kilka rzędów mniejsze niż w przypadku wody (zwłaszcza, gdy ma ona dość wysoką temperaturę), co również wpływa na objętość rdzenia reaktora chłodzonego gazem. Zastosowanie więc moderatora grafitowego wymaga użycia dużych jego ilości w reaktorze, podczas gdy moderator wodny, czyli H2O, zajmuje w reaktorze stosunkowo niewielką objętość. Relatywnie mała objętość rdzenia reaktora wodnego ciśnieniowego, a tym samym duża moc otrzymywana z jednostki objętości rdzenia, spowodowała zainteresowanie się tymi reaktorami przez marynarkę wojenną mocarstw atomowych. Reaktory takie są szczególnie przydatne w układach napędowych okrętów podwodnych, choć znalazły one również zastosowanie w napędach dużych jednostek nawodnych. Wadą tych reaktorów w czasie powstawania pierwszych egzemplarzy reaktorów jądrowych, a więc pod koniec I połowy XX wieku, była konieczność pewnego wzbogacania paliwa uranowego w izotop U-235. Pierwszy reaktor energetyczny chłodzony i moderowany „lekką” wodą, wzorowany na reaktorach „wojskowych”, został uruchomiony w drugiej, w skali światowej, elektrowni jądrowej w Shippingport (Stany Zjednoczone), na początku grudnia 1957 roku, a moc elektryczna bloku wynosiła 60 MW. Wkrótce okazało się, że zaprojektowane już wyłącznie pod kątem potrzeb energetyki zawodowej lekkowodne reaktory ciśnieniowe są niezawodnym i bezpiecznym źródłem taniego ciepła w blokach o dużej mocy. Pierwszy całkowicie „energetyczny” reaktor tego typu o mocy elektrycznej 175 MW został zainstalowany w roku 1961 w amerykańskiej elektrowni jądrowej Yankee Rowe. Równolegle z reaktorami wodnymi ciśnieniowymi chłodzonymi i moderowanymi H2O, powszechnie oznaczanymi skrótem PWR (Pressurized Water Reactor), w Stanach Zjednoczonych trwały prace nad skonstruowaniem reaktora energetycznego lekkowodnego wrzącego BWR (Boiling Water Reactor). Różnica pomiędzy tymi odmianami reaktorów lekkowodnych polega na tym, że reaktory PWR wytwarzają gorącą wodę o bardzo wysokim ciśnieniu, reaktory BWR zaś dostarczają nasyconą suchą parę H2O. Pierwszy, w zasadzie doświadczalny reaktor tego typu, umożliwił wyprodukowanie niewielkich ilość energii elektrycznej w lipcu 1955 roku, pierwszy zaś komercyjny reaktor BWR został uruchomiony w roku 1960 w elektrowni Dresden 1. Blok z tym reaktorem miał moc elektryczną 200 MW, a elektrownia Dresden 1 była pierwszą na świecie elektrownią jądrową o charakterze całkowicie prywatnym.

Dla potrzeb podwodnych okrętów wojennych powstały także konstrukcje reaktorów chłodzonych ciekłymi metalami: sodem lub eutektyką bizmut – ołów. Reaktory te nie znalazły jednak zastosowania w układach energetycznych. Osobną grupę reaktorów chłodzonych ciekłymi metalami stanowią, wspomniane już, uranowo – plutonowe reaktory powielające prędkie. Reaktory te w zasadzie od początku historii energetyki jądrowej uważane były za podstawowe przyszłościowe źródło ciepła w elektrowniach jądrowych i dotąd można się spotkać z tego typu opiniami. W chwili obecnej jednak na świecie istnieją tylko pojedyncze egzemplarze takich reaktorów, traktowanych w znacznym stopniu jako eksperymentalne.

Jak już wspomniano, uran o naturalnym składzie izotopowym może być stosowany w reaktorach moderowanych i chłodzonych ciężką wodą D2O. Ze względów fizycznych reaktory takie mają wyraźnie większe rozmiary od reaktorów lekkowodnych i dlatego nie znalazły one zastosowania w jednostkach napędowych. Z tego powodu i z przyczyn politycznych, a także m. in. z uwagi na wysoką cenę ciężkiej wody, reaktory ciężkowodne są mniej popularne, choć jako reaktory energetyczne mają one wiele zalet.

Reaktory prędkie powielające chłodzone ciekłym sodem mogą zapewnić pełne, a nawet z pewną nadwyżką, powielenie paliwa w cyklu uranowo – plutonowym. Innym rodzajem reaktorów powielających są reaktory termiczne moderowane grafitem i chłodzone helem, zwykle o wysokiej temperaturze wylotowej helu oraz pracujące w cyklu torowo – uranowym. Reaktory te również w pewnym okresie zostały uznane za przyszłościowe, ale obecnie prace nad tymi reaktorami w Europie nie są na większą skalę kontynuowane, choć mogą one być źródłem ciepła wysokotemperaturowego dla pewnych procesów technologicznych, m. in. przy przeróbce węgla na paliwa ciekłe lub gazowe. Oczywiście nie wyklucza to możliwości zastosowania wysokotemperaturowych, powielających reaktorów grafitowo – helowych również do celów energetycznych. Powodem wstrzymania prac nad tymi reaktorami były w znacznym stopniu względy polityczne, ale także pewne problemy techniczne, rzutujące na poziom bezpieczeństwa przy długotrwałej eksploatacji tych reaktorów.

Generacje energetycznych reaktorów jądrowych

Przy rozpatrywaniu różnych typów reaktorów jądrowych, kolejno przystosowywanych do celów energetycznych, jako podstawowe kryterium ich klasyfikacji przyjmowano początkowo głównie rodzaj moderatora oraz chłodziwa. Jednak w przypadku reaktorów energetycznych coraz częściej stosuje się inne kryterium klasyfikacyjne, mające ścisły związek z czasem powstania danej konstrukcji. Zgodnie z tym kryterium wyróżnia się kolejne generacje energetycznych reaktorów jądrowych. Generację I tworzą reaktory powstałe w pierwszym etapie rozwoju energetyki jądrowej, który trwał do ok. 1965 roku. Przykładami reaktorów powstałych w tym okresie są wspomniane już reaktory w elektrowni Calder Hall, w Shippingport, Yankee Rowe oraz w elektrowni Dresden 1. Generacja II to reaktory powstałe w przybliżeniu w latach 1965 – 1995 i są to przede wszystkim zmodernizowane reaktory typu PWR i BWR, a także udoskonalone reaktory grafitowo – gazowe. Wprowadzane stopniowo w nich modyfikacje miały na celu doskonalenie konstrukcji dla poprawy ich bezpieczeństwa, przy równoczesnym zwiększaniu mocy cieplnej reaktora, a tym samym mocy elektrycznej bloku, jego całkowitej sprawności, a także zwiększanie efektywności wykorzystania paliwa jądrowego. Podstawową miarą tej efektywności jest ilość energii uzyskanej w wyniku rozszczepień z jednostki paliwa, czyli głębokość wypalenia paliwa, podawana zwykle w MWds/tonę (megawatodniach na tonę paliwa). W przypadku brytyjskich reaktorów grafitowo – gazowych efekt ten uzyskano przez zastosowanie paliwa wzbogaconego nieco w izotop U-235, podczas gdy pierwsze tego typu reaktory bazowały na uranie o naturalnym składzie izotopowym. Coraz większy nacisk kładziono również na bezpieczeństwo i niezawodność pracy reaktorów. W tym okresie powstawały także nowe typy reaktorów energetycznych, z których dwa okazały się bardzo istotne w historii rozwoju energetyki jądrowej. O ile reaktory I generacji i powstałe w wyniku ich modyfikacji reaktory generacji II miały postać zbiornikową, to oba te rodzaje reaktorów jądrowych są reaktorami kanałowymi. Reaktory te to kanadyjski reaktor CANDU (CANadian Deuterium Uranium reactor) chłodzony i moderowany ciężką wodą D2O oraz, wspomniany już, radziecki reaktor RBMK moderowany grafitem i chłodzony „lekką” wodą H2O.

Reaktory III generacji to reaktory jądrowe instalowane od roku 1995 do chwili obecnej. Reaktory te będą prawdopodobnie oferowane w przyszłości przynajmniej do roku 2030, a być może jeszcze dłużej w nowszej wersji III+. Reaktory generacji trzeciej są efektem kontynuacji rozwoju reaktorów generacji II z dwoma wyjątkami. Wyjątki te to reaktory gazowo – grafitowe oraz kanałowe RBMK, których nie instaluje się już od wielu lat, z różnych zresztą względów. Reaktory generacji III oraz III+ są zmodyfikowanymi zbiornikowymi reaktorami wodnymi ciśnieniowymi i wodnymi wrzącymi oraz kanałowymi reaktorami ciężkowodnymi. Przykładami reaktorów wodnych ciśnieniowych generacji III lub III+ są reaktory europejskie EPR (European Pressurized Reactor) oraz amerykańskie serii AP (Advanced Pressurized). W obu tych typach reaktorów zastosowano wiele modyfikacji, a przede wszystkim wprowadzono nowego rodzaju, dodatkowe systemy zabezpieczające, podobnie jak i we wrzących reaktorach generacji III ABWR (Advanced Boiling Water Reactor). Moc elektryczna bloków z reaktorami EPR wynosi 1600 MW, a pierwsze jednostki tego typu to reaktor instalowany w fińskiej elektrowni Olkiluoto oraz w elektrowni Flamanville we Francji, przy czym budowa bloku fińskiego jest znacznie bardziej zaawansowana, choć dość poważnie opóźniona. Z kolei uruchomienie pierwszych czterech bloków z reaktorami amerykańsko-japońskimi ABWR, o mocy elektrycznej 1350 MW, miało miejsce w Japonii (od roku 1996). Również w konsorcjum GE-Hitachi trwają prace nad opracowaniem projektu reaktora wrzącego ESBWR (Economic/Evolutionary Simplified Boiling Water Reactor), który jednak – jeśli powstanie – będzie już należał do generacji III+.  Wspomniane modyfikacje, prowadzące do tzw. projektów ewolucyjnych, mają na celu zwiększenie konkurencyjności i usprawnienie procesu eksploatacji, a także dalszą poprawę poziomu bezpieczeństwa w elektrowniach z tymi reaktorami. Pierwsze dwa cele są osiągane przez upraszczanie konstrukcji zarówno samych reaktorów, jak i elementów układu reaktorowego, a zwłaszcza obiegu pierwotnego, czyli elementów bezpośrednio współpracujących z reaktorami jądrowymi. W przypadku systemów zabezpieczających coraz większe znaczenie mają tzw. systemy bierne, a więc systemy nie wymagające stosowania urządzeń korzystających z mechanicznej pracy napędowej, czyli głównie pomp i wentylatorów. Celem końcowym ma być tu powszechne zastosowanie tzw. reaktorów inherentnie bezpiecznych. W reaktorach takich rolę systemów zabezpieczających spełniają odpowiednio wykorzystane prawa przyrody, dzięki czemu w stanach awaryjnych powstają samorzutnie zjawiska prowadzące do bezpiecznego wyłączenia reaktora, a następnie wystarczająco efektywnego jego chłodzenia celem odbioru tzw. ciepła powyłączeniowego. Przykładem takiego zjawiska jest naturalna cyrkulacja wody chłodzącej wywołana hydrostatycznymi siłami wyporu.

W chwili obecnej na świecie jest czynnych nieco ponad 430 energetycznych reaktorów jądrowych o całkowitej mocy elektrycznej ok. 370 GWe i są to niemal wyłącznie reaktory II generacji. Ok. 60% tych obiektów stanowią reaktory PWR, 25% zaś reaktory BWR. Uproszczony schemat bloku energetycznego z reaktorem PWR przedstawiono na rys. 1, uproszczone schematy bloków z reaktorami BWR i ABWR natomiast na rys. 2. W przypadku jądrowego systemu wytwarzania pary z reaktorem PWR reaktor opuszcza gorąca woda o temperaturze dochodzącej do ok. 330oC i o odpowiednio wysokim ciśnieniu, która w wytwornicy pary oddaje ciepło wodzie obiegu turbinowego, powodując powstanie pary nasyconej o temperaturze do ok. 290oC. W przypadku reaktora BWR wytwarza on bezpośrednio nasyconą parę wodną o temperaturze do ok. 300oC. Blok z reaktorem BWR nie zawiera zatem dodatkowych elementów obiegu pierwotnego, w tym kosztownych wytwornic pary, do turbiny dopływa jednak czynnik radioaktywny, choć o krótkim okresie półrozpadu. W obu przypadkach zespół turbinowy posiada takie same urządzenia dodatkowe jak w przypadku bloku węglowego, a głównie pompy kondensatu i wody zasilającej, podgrzewacze regeneracyjne nisko- i wysokociśnieniowe oraz odgazowywacz.

 
Zagadnienia bezpieczeństwa w energetycznych wodnych reaktorach jądrowych

Jak już wspomniano reaktory energetyczne są tak skonstruowane, iż wybuch jądrowy nie jest w nich możliwy ze względów fizycznych. Mimo, że niekontrolowana reakcja łańcuchowa w bombie A wykorzystuje ten sam efekt zamiany części masy jąder w ciepło, jak reakcja łańcuchowa w reaktorze jądrowym, to jednak między tymi procesami istnieje zasadnicza różnica. Trwającą niezwykle krótko reakcję podczas wybuchu bomby podtrzymują neutrony natychmiastowe o bardzo dużej energii. Z uwagi na inną postać, a głównie małe wzbogacenie paliwa jądrowego w izotopy rozszczepialne, reakcję łańcuchową w reaktorze mogą podtrzymywać jedynie też wspomniane już neutrony o niskiej energii zwane termicznymi. W przypadku reaktorów chłodzonych i moderowanych wodą, prędkie neutrony rozszczepieniowe spowalnia woda, a ściślej zawarty w niej wodór. W sytuacji skrajnej, w razie nagłego przyrostu mocy cieplnej reaktora, wynikającego z gwałtownie wzrastającej liczby rozszczepień jąder paliwowych, nagłe odparowanie wody zahamuje proces moderacji neutronów i reakcja łańcuchowa samoczynnie wygaśnie. W praktyce, w warunkach reaktorów wodnych, nie jest także możliwe wydostanie się do otaczającej atmosfery substancji paliwowej, tzn. izotopów uranu oraz ewentualnie plutonu. Świadectwem tego są awarie w Harrisburgu (USA) w 1979 roku oraz w Fukushimie (Japonia) w roku 2011. W obu tych elektrowniach, mimo zniszczeń wykluczających możliwość naprawy i ponownego uruchomienia reaktorów, do powietrza atmosferycznego nie wydostały się izotopy paliwowe.

Każdy reaktor jądrowy, w tym także reaktor wodny, ma natomiast dwie charakterystyczne cechy szczególne, które mogą stanowić źródło zagrożeń i poważnych awarii. Pierwsze zagrożenie wynika z obecności we wnętrzu reaktora substancji silnie radioaktywnych, będących głównie produktami rozszczepienia paliwa jądrowego. Produkty te znajdują się w pozostałym paliwie, gdyż rozszczepieniu ulega zaledwie kilka procent substancji paliwowej. W określonych warunkach do otoczenia mogą się przedostać pewne izotopy promieniotwórcze będące produktami rozszczepień jąder paliwa, a są to głównie jod, cez, stront oraz ksenon, przy czym ten ostatni pierwiastek jest gazem szlachetnym, a więc nieabsorbowanym w organizmie ludzkim. Aby ograniczyć prawdopodobieństwo wydostania się na zewnątrz promieniotwórczych produktów rozszczepienia, zespół reaktorowy jest umieszczany wewnątrz odpowiednio skonstruowanego budynku o bardzo dużej odporności na wszelkiego rodzaju zagrożenia, w tym trzęsienie ziemi, powódź bądź upadek samolotu – jest to tzw. obudowa bezpieczeństwa (rys. 3).

Drugi problem stanowi moc powyłączeniowa. W przypadku kotła pyłowego lub fluidalnego przerwanie dopływu paliwa skutkuje zaprzestaniem od razu procesu spalania i tym samym generacji ciepła. Wyłączenie reaktora jądrowego powoduje natychmiastowe przerwanie reakcji łańcuchowej, produkty rozszczepienia w rdzeniu reaktora ulegają jednak cały czas rozpadom promieniotwórczym, którym towarzyszy wydzielanie się ciepła. Moc cieplna powyłączeniowa jest oczywiście znacznie mniejsza od mocy nominalnej i w dodatku szybko maleje w sposób wykładniczy, przez pewien czas po wyłączeniu jest ona jednak na tyle duża, że rdzeń reaktora powinien być w odpowiednio intensywny sposób chłodzony. Przykładowe dane dotyczące mocy powyłączeniowej reaktora jądrowego o typowej mocy cieplnej 3000 MW, co odpowiada mocy elektrycznej bloku ok. 1000 MW, podaje poniższe zestawienie:

tabela_01_530x179

W celu odebrania mocy powyłączeniowej w układach reaktorowych instaluje się odpowiednie układy chłodzenia, które można podzielić na bierne (pasywne) oraz czynne (aktywne). Układy bierne nie wymagają zastosowania żadnych elementów ruchomych, a zatem nie wymagają one zasilania energią z zewnątrz. W układach tych wykorzystuje się prawa przyrody, które nigdy nie zawodzą, a ściślej – wykorzystuje się naturalne siły w postaci np. siły grawitacji lub siły wyporu hydrostatycznego. W kolejnych generacjach reaktorów jądrowych dąży się do rozbudowy układów biernych, przy stopniowej eliminacji układów czynnych, które wymagają zasilania zewnętrznego. Jest to na ogół elektryczność potrzebna głównie do silników elektrycznych napędzających zespoły pompowe oraz ewentualnie zespoły wentylatorowe.

Odpowiednio intensywne chłodzenie reaktora jądrowego po jego wyłączeniu jest konieczne z co najmniej trzech powodów. Brak chłodzenia reaktora, poprzez przegrzanie jego rdzenia, zwiększa niebezpieczeństwo wydostania się z obiegu reaktorowego substancji silnie promieniotwórczych. Niebezpieczeństwo to staje się tym większe, im wyższa temperatura pojawia się we wnętrzu reaktora. Wnętrze to w reaktorach wodnych zawiera pręty paliwowe o długości do ok. 4 m i o średnicy ok. 10 mm. W prętach tych znajdują się pastylki paliwowe z dwutlenkiem uranu UO2, ewentualnie – w przypadku paliwa MOX (Mixed OXides) – z dodatkiem także dwutlenku plutonu PuO2. Pastylki te znajdują się w tzw. koszulkach, czyli cienkich rurkach wykonanych ze stopu zwanego zircaloy, którego podstawowym składnikiem jest cyrkon. Cyrkon ma bardzo korzystne właściwości z punktu widzenia reaktorowego, z jednym wyjątkiem. Wyjątkiem tym jest fakt, iż w temperaturze powyżej 1000oC zachodzi intensywna egzotermiczna reakcja cyrkonu z H2O, w wyniku czego powstaje dwutlenek cyrkonu ZrO2 oraz wodór. Przy jeszcze wyższych temperaturach, nieco powyżej 2500oC, zaczyna się proces topnienia paliwa w rdzeniu reaktora, a oznacza to nie tylko definitywne jego zniszczenie, ale także groźbę uwolnienia do otoczenia na dużą skalę silnie promieniotwórczych produktów rozszczepienia. Skrajnie pesymistyczny scenariusz przewiduje wytworzenie się tzw. debris lub corium, czyli ciekłej substancji powstałej po stopieniu rdzenia reaktora, mającej temperaturę 2500oC÷3000oC i zawierającej wewnętrzne źródła ciepła powyłączeniowego. Gdyby doszło do przetopieniu dna zbiornika reaktorowego oraz płyty fundamentowej, substancja ta przeniknęłaby do gruntu powodując znaczne skażenie otoczenia. W określonych warunkach, głównie za pośrednictwem cieków wodnych, mogłoby dojść wtedy do rozprzestrzenienia się na dużym obszarze silnie radioaktywnych substancji promieniotwórczych. Scenariusz taki jest jednak, w przypadku reaktorów wodnych, skrajnie nieprawdopodobny, a świadectwem tego są m.in. przebiegi dotychczasowych awarii w tych reaktorach.

W układach z reaktorami wodnymi PWR najpoważniejsze zagrożenia związane są z wystąpieniem awarii rozszczelnieniowej, czyli awarii LOCA (Loss-Of-Coolant-Accident). W efekcie tego typu awarii do wnętrza budynku reaktorowego wydostaje się z obiegu pierwotnego reaktora woda o wysokich parametrach, która gwałtownie odparowuje, przy czym za najgroźniejszy przypadek jest uważane rozerwanie się rurociągu wodnego pomiędzy główną pompą cyrkulacyjną i reaktorem. Działające biernie akumulatory wodne zapewniają chłodzenie rdzenia reaktora i odbiór ciepła wyłączeniowego bezpośrednio po wystąpieniu awarii. W celu obniżenia temperatury i ciśnienia w obudowie bezpieczeństwa do jej wnętrza wtryskiwana jest woda, która następnie spływa do zbiornika ściekowego. Elementy czynnego układu lokalizacji awarii w postaci odpowiednich pomp wtryskują następnie ochłodzoną w wymienniku wodę do wnętrza reaktora oraz ponownie do atmosfery obudowy. Na rys. 3 nie zaznaczono, zawsze obecnie instalowanych wewnątrz obudów reaktorowych, układów do rekombinacji, tzn. to kontrolowanego wiązania, wodoru.

W przypadku reaktorów wodnych istnieją cztery podstawowe bariery zabezpieczające przed wydostawaniem się na zewnątrz substancji promieniotwórczych z paliwa. Pierwszą barierę stanowią ceramiczne pastylki paliwowe. W czasie normalnej pracy z pastylek tych wydostaje się mniej niż 1% gazowych produktów rozszczepienia, a dopiero po ich stopieniu wydzielają się w całości gazy szlachetne, głównie ksenon, a także – w wysokich temperaturach – pierwiastki lotne, zwłaszcza jod, cez i tellur, jak też pewne produkty stałe w postaci aerozoli. Drugą barierą jest koszulka elementu paliwowego wykonana, w warunkach reaktorów wodnych, ze wspomnianego stopu zawierającego głównie cyrkon. W przypadku szczelnej koszulki wydzielone produkty rozszczepienia pozostają w gazowej szczelinie pomiędzy koszulką i paliwem jądrowym. Barierę trzecią stanowią ściany elementów obiegu reaktorowego, czwartą zaś jest obudowa bezpieczeństwa systemu reaktorowego wraz z układami lokalizacji awarii. Ostatnia z wymienionych barier odgrywa szczególną rolę i np. w przypadku awarii w Harrisburgu bariera ta miała decydujące znaczenie. Kolejne generacje reaktorów charakteryzują się głównie bardziej rozbudowanymi i pewniej działającymi systemami zabezpieczającymi związanymi z tą właśnie barierą.

Awarie i katastrofy w układach reaktorowych

Wszystkie technologie wytwarzania elektryczności wiążą się z pewnymi zagrożeniami dla ludzi, zarówno bezpośrednio związanych ze skumulowanym cyklem wytwarzania elektryczności, jak też dla mieszkańców terenów sąsiadujących z obiektami energetycznymi, w szerokim rozumieniu tego terminu. Jako miary tych zagrożeń stosowane są różne wskaźniki, w tym tzw. skumulowany wskaźnik zgonów związany z wytworzeniem 1 gigawatoroku elektryczności. Wskaźnik ten ujmuje zdarzenia związane z całym cyklem paliwowo-energetycznym prowadzącym do wytworzenia tej ilości energii elektrycznej. Są to więc wypadki w kopalniach, transporcie, przy budowach obiektów energetycznych, w wyniku katastrof, czy też, a może przede wszystkim, w rezultacie skażenia środowiska. Wskaźnik ten jest najwyższy dla elektrowni wodnych, co wynika przede wszystkim z katastrof wywołanych zrywaniem tam. Dość wysoki wskaźnik śmiertelności występuje też w przypadku elektrowni węglowych, zwłaszcza w sytuacji dużej wypadkowości w górnictwie oraz w warunkach elektrowni emitujących znaczne ilości substancji szkodliwych. Zdecydowanie niższy skumulowany wskaźnik zagrożenia cechuje elektrownie gazowe oraz elektrownie jądrowe z reaktorami wodnymi. Nie oznacza to oczywiście braku wypadków w przypadku zespołów reaktorowych.

Zagadnienia bezpieczeństwa miały priorytetowe znaczenie podczas rozwoju reaktorów jądrowych, mimo tego jednak ich eksploatacja związana była z awariami. Awarie takie występowały zarówno w reaktorach badawczych, jak i wojskowych oraz energetycznych, a często ich przyczyną były dość banalne błędy personelu.

Najbardziej znana awaria przed wydarzeniami w Harrisburgu miała miejsce w brytyjskim reaktorze grafitowym służącym do produkcji plutonu dla celów militarnych w Windscale 08.10.1957. Wskutek błędu operatora doszło do trwającego kilka dni pożaru grafitu. Nie było ofiar ludzkich, reaktor jednak został całkowicie zniszczony, a do atmosfery wydostała się duża ilość substancji promieniotwórczych, w tym bardzo szkodliwy izotop jodu J-131. Poważnemu skażeniu uległy znaczne tereny w Anglii, Walii, a zauważalne było ono nawet w kontynentalnej Europie. |

28 marca 1979 roku w amerykańskiej elektrowni jądrowej Three Mile Island w Harrisburgu doszło do przegrzania i częściowego nadtopienia rdzenia reaktora wodnego ciśnieniowego PWR. Dość banalna awaria w obiegu turbinowym spowodowała automatyczne odcięcie dopływu pary do turbiny. Z powodu braku odbioru ciepła od wytwornic pary otworzył się automatycznie zawór bezpieczeństwa obiegu pierwotnego, który po chwili się zaciął i nastąpił długotrwały wypływ chłodziwa reaktorowego przez ten zawór. Obsługa reaktora zorientowała się w sytuacji bardzo późno i zamknęła zawór dopiero po ponad 2 godzinach. Wcześniej reaktor został bardzo szybko automatycznie wyłączony i nastąpiło samoczynne uruchomienie dwóch pomp awaryjnego chłodzenia rdzenia reaktora. Obsługa reaktora, kierując się błędnymi przesłankami, wyłączyła te pompy, a następnie była zmuszona także wyłączyć główne pompy cyrkulacyjne. Po odparowaniu wody w rdzeniu nastąpiło przegrzanie prętów paliwowych, ich częściowe stopienie, wytworzył się także, w wyniku reakcji cyrkonu z parą wodną, wolny wodór. W efekcie reaktor w Harrisburgu został zniszczony w sposób uniemożliwiający jego naprawę, straty materialne były ogromne, lecz na zewnątrz budynku reaktorowego wydostały się jedynie niewielkie ilości substancji promieniotwórczych, głównie kryptonu Kr-85, nie było także żadnego zagrożenia dla obsługi. Mimo wytworzenia się pewnej ilości wolnego wodoru i jego wybuchu nie doszło jednak do uszkodzenia obudowy bezpieczeństwa reaktora. Przyczyny awarii były wielorakie, począwszy od niedoskonałości konstrukcji i niedokładności w działaniu niektórych elementów pomocniczych, ale przede wszystkim miały miejsce poważne błędy obsługi, i to zarówno przed wystąpieniem awarii, jak i w czasie jej trwania. Szczególnie te ostatnie błędy okazały się niezwykle istotne.

Zupełnie odmienny przebieg i skutki miała katastrofa w Czarnobylu, która rozpoczęła się 26 kwietnia 1986 roku. Przede wszystkim całkowicie inną postać miały cztery pracujące w elektrowni czarnobylskiej reaktory, które co prawda również chłodzone były wodą, lecz w których, w celu moderacji neutronów, znajdowały się ogromne ilości grafitu. O ile w reaktorach wodnych PWR lub BWR pręty paliwowe zawarte są w walcowym, stalowym, zbiorniku reaktorowym o średnicy w granicach ok. 4 m ÷ 6 m, to w Czarnobylu rdzeń reaktora miał postać bloku z 2000 t grafitu, w którym znajdowało się blisko 1700 pionowych kanałów. W kanałach tych umieszczono ciśnieniowe rury stalowe, w których znajdowały się pręty paliwowe omywane przez odparowującą wodę. Reaktory, w ówczesnej wersji, nie posiadały rozwiązań gwarantujących maksymalny możliwy poziom bezpieczeństwa. Przebieg katastrofy czarnobylskiej miał bardzo złożoną postać i pewne jej aspekty do chwili obecnej nie zostały w pełni wyjaśnione. Nie ulega wątpliwości, że na ten przebieg wpływ miała dość kontrowersyjna postać konstrukcyjna zespołu reaktorowego oraz systemu jego zabezpieczeń. Należy tu przypomnieć, że reaktory tego typu jak w Czarnobylu powstały w rezultacie modyfikacji radzieckich reaktorów wojskowych służących do produkcji plutonu stanowiącego materiał do bomb atomowych. Wyjątkową jednak odpowiedzialność za przebieg i skutki omawianej awarii ponoszą zespoły decyzyjne elektrowni oraz jej czwartego bloku, w którym miał miejsce ruchowy eksperyment prowadzący do katastrofy o bardzo poważnych skutkach. W efekcie błędów obsługi, a nawet celowych działań, które absolutnie nie powinny mieć miejsca (wyłączanie systemów zabezpieczających), nastąpił niezwykle szybki wzrost mocy reaktora skutkujący gwałtownym odparowaniem wody w rurach ciśnieniowych z prętami paliwowymi. Wywołany tym znaczny przyrost ciśnienia spowodował parowy wybuch typu kotłowego, tzn. rozerwanie tych rur. Powstała para wodna, o wysokich parametrach, zareagowała z grafitem, co spowodowało powstanie wolnego wodoru, który po zetknięciu z powietrzem uległ eksplozji. Wybuch ten, o charakterze chemicznym, doprowadził do całkowitego zniszczenia reaktora, uwolnienia do otoczenia dużych ilości substancji promieniotwórczych oraz zapoczątkował trwający 10 dni pożar grafitu. Wysoka temperatura, która w pewnym momencie przekraczała 5000oC, spowodowała, oprócz innych poważnych skutków, powstanie zjawiska ciągu kominowego, co wywołało wzniesienie substancji radioaktywnych w atmosferze na znaczną wysokość i następnie rozprzestrzenienie tych substancji na bardzo dużym obszarze. W trakcie awarii zginęło 30 pracowników, a dużą dawkę promieniowania w czasie akcji ratowniczej otrzymało ok. 200 osób.

W chwili obecnej działa jeszcze 11 reaktorów takich jak w Czarnobylu, jednak wprowadzone zmiany konstrukcyjne i materiałowe spowodowały, że powtórzenie się wydarzeń w taki sposób jak w Czarnobylu jest w nich w praktyce wykluczone.

Wydarzenia w Fukushimie

Elektrownia Fukushima zawierała 6 bloków energetycznych z reaktorami wodnymi wrzącymi BWR. Były to uruchamiane w latach 1971÷1979 starsze reaktory II generacji.
   
11 marca 2011 o godz. 14.46 w pobliżu wybrzeży Japonii miało miejsce gigantyczne trzęsienie ziemi, którego moc oszacowano na 9 stopni w skali Richtera. Epicentrum trzęsienia znajdowało się na głębokość 22÷32 km i ok. 100 km na północny wschód od leżącej na wybrzeżu elektrowni Fukushima. Wydzielona energia, ok. 340 megaton TNT, stanowiła odpowiednik energii milionów bomb z okresu II wojny światowej. Straty materialne wyniosły ok. 300 mld USD, a Honsiu, największa wyspa Japonii, została przesunięta o 2,4 m.

Mimo najsilniejszego w historii Japonii wstrząsu układy reaktorowe elektrowni Fukushima nie zostały uszkodzone. Wszystkie trzy czynne reaktory zostały wyłączone i zaczęły działać prawidłowo układy ich powyłączeniowego chłodzenia. Ponieważ utracono możliwość zasilania z sieci elektroenergetycznej, która w całej północnej Japonii przestała działać, silniki pomp wody chłodzącej rdzenie reaktorów zasilano prądem z elektrycznych generatorów awaryjnych. Generatory te napędzane były, co jest rozwiązaniem typowym, wysokoprężnymi silnikami spalinowymi tłokowymi, czyli silnikami Diesla. Prawie godzinę po trzęsieniu ziemi, a ściślej o godz. 15.41 czasu miejscowego, do położonej tuż nad brzegiem oceanu elektrowni Fukushima dotarła fala tsunami o wysokości ok. 14 m, w sytuacji gdy mur osłonny miał wysokość zaledwie 6,5 m. Gigantyczna fala oceaniczna przelała się przez zabudowania elektrowni nie powodując uszkodzeń reaktorów ani też ich obudów bezpieczeństwa. Zniszczeniu uległy jednak awaryjne zespoły prądotwórcze, łącznie ze zbiornikami paliwa olejowego. Zespół dodatkowych akumulatorów mógł zapewnić zasilanie silników elektrycznych pomp wody chłodzącej jedynie przez krótki okres czasu. Zaczęły następnie działać, niewymagające energii z zewnątrz, systemy chłodzenia reaktora wykorzystujące turbo-pompy napędzane parą z reaktorów, ale potem odbieranie ciepła miało miejsce jedynie poprzez bierne systemy chłodzące z naturalnym krążeniem H2O. Systemy te były w stanie zapewnić utrzymanie odpowiednich warunków termicznych wewnątrz reaktorów tylko przez okres 6 godzin. Po tym czasie w rdzeniach reaktorów zaczęła wzrastać temperatura i ciśnienie, a ciągłe odparowywanie wody spowodowało odsłonięcie rdzeni reaktorów. Nastąpiło pękanie koszulek cyrkonowych i wydostawanie się z prętów paliwowych niektórych promieniotwórczych produktów rozszczepienia oraz rozpoczęła się egzotermiczna reakcja chemiczna cyrkonu z parą wodną, prowadząca do powstania wolnego wodoru. Sytuacja taka wystąpiła w blokach z reaktorami 1, 2 i 3, gdzie miało następnie miejsce uwolnienie z wnętrz obudów bezpieczeństwa mieszaniny parowo-powietrzno-wodorowej. Spowodowało to wybuchy i pożary na zewnątrz tych obudów i zniszczenie górnych części budynków zawierających w swoim wnętrzu te obudowy. Nastąpiło ponadto naruszenie integralności obudowy bezpieczeństwa w bloku 2 i być może 3. Ponadto w przypadku wszystkich tych trzech bloków rdzenie reaktorów zostały do tego stopnia uszkodzone, że ich naprawa i ponowne uruchomienie nie jest możliwe. Sytuacja wewnątrz bloków 1, 2 i 3 została opanowana, gdy do rdzeni reaktorów w tych blokach zaczęto pompować wodę morską, z pochłaniającymi neutrony termiczne związkami boru. Wykorzystano do tego celu duży przewoźny agregat z silnikiem Diesla, a następnie zasilanie sieciowe, co nastąpiło po tygodniu od trzęsienia ziemi. Cała akcja była utrudniona z powodu dalszych trzęsień ziemi, choć o znacznie mniejszej sile.

Efektem końcowym wydarzeń w blokach 1÷3 elektrowni Fukushima po trzęsieniu ziemi, oprócz wspomnianych zniszczeń, było wydostanie się do atmosfery pewnych ilości promieniotwórczych izotopów ksenonu, jodu i cezu, przy czym większość, z wyjątkiem ksenonu, izotopów radioaktywnych uwolnionych z rdzeni reaktorów uległa absorpcji przez wodę wewnątrz obudów bezpieczeństwa. Izotopy te mogły z kolei przedostać się do otoczenia za pośrednictwem wody morskiej chłodzącej awaryjnie reaktory. Nie wydostały się natomiast z rdzeni reaktorów izotopy uranu oraz plutonu. Jak już wspomniano, duże zniszczenia, choć tylko lokalne, spowodowały wybuchy wodoru i pożary. Ich efekty były bardzo spektakularne, lecz nie stwarzały one poważniejszych zagrożeń. Należy dodać, że w elektrowni były zainstalowane układy rekombinacji wodoru, czyli układy stopniowo wiążące wodór, jednak układy te też wymagały dostarczania elektryczności, a zasilania z zewnątrz nie było.

Elektrownia Fukushima składała się z 6 wspomnianych już bloków z reaktorami wrzącymi, przy czym reaktory 5 i 6 zlokalizowano oddzielnie, a w chwili trzęsienia ziemi oba te reaktory były wyłączone i pozbawione paliwa. Reaktor 4, sąsiadujący z reaktorami 1÷3, był również wyłączony, lecz usunięte niedawno z niego wypalone paliwo znajdowało się w budynku reaktorowym, w zbiorniku wymagającym ciągłego, odpowiednio intensywnego, chłodzenia. W warunkach braku zasilania i ustania pracy pomp wody chłodzącej również tu moc powyłączeniowa wypalonego paliwa spowodowała jego przegrzanie, wytworzenie wolnego wodoru, a następnie prawdopodobnie eksplozję wodoru i pożar. 

W trakcie trzęsienia ziemi zginęło 2 pracowników elektrowni, 2 dalszych uznano za zaginionych, zginął także jeden operator dźwigu po zawaleniu się jego konstrukcji w wyniku wybuchu wodoru. Bardzo istotne i równocześnie charakterystyczne są natomiast skutki zdrowotne w przypadku personelu i osób biorących udział w reaktorowej akcji ratowniczej. Awarie reaktorów i późniejsze wydarzenia w rejonie budynków reaktorowych elektrowni Fukushima nie spowodowały wypadków śmiertelnych, nie stwierdzono też pochłonięcia dawek zagrażających życiu. Rannych zostało ok. 20 pracowników, kilku z nich na krótko zapobiegawczo hospitalizowano. Sześć osób otrzymało dawki promieniowania nieco przekraczające górną, dopuszczalną w szczególnych sytuacjach, granicę, a prawdopodobnie ok. 1000 innych pracowników i ratowników dostało dawkę poniżej tej granicy. Niewątpliwie teren w sąsiedztwie elektrowni został w pewien sposób skażony, ale masowe ewakuacje ludności były chyba jednak reakcją przesadną. Przesadne nieco chyba też były alarmistyczne informacje na temat skażenia promieniotwórczego wody morskiej chłodzącej reaktory.

Wydarzenia w Fukushimie porównywano do katastrofy czarnobylskiej, a nawet próbowano stawiać między nimi przybliżony znak równości. Jak wynika z zaprezentowanych opisów były to zupełnie różne zdarzenia, zarówno jeśli chodzi o przebieg, powstałe zagrożenia, jak i późniejsze skutki. Warto podkreślić, że zarówno trzęsienie ziemi o ogromnej mocy, jak i późniejsza gigantyczna fala oceaniczna, bezpośrednio nie spowodowały praktycznie żadnych uszkodzeń w układach reaktorowych. Zawiodły instalacje tradycyjne, konwencjonalne: sieci przesyłowe, awaryjne agregaty prądotwórcze z silnikami Diesla. I o tym powinni przede wszystkim pamiętać projektanci przyszłych elektrowni jądrowych.

Skale awarii w instalacjach jądrowych

Do oceny zagrożeń wynikających z awarii w instalacjach jądrowych służy skala INES (International Nuclear Event Scale). Skala ta zawiera 7 poziomów, przy czym poziomy 1-3 dotyczą incydentów, poziomy 4-7 zaś awarii jądrowych. Awaria na poziomie 4 nie stwarza znaczącego zagrożenia poza obiektem, choć na jego terenie mogą wystąpić poważne uszkodzenia oraz napromieniowanie kilku pracowników nawet dawką zbliżoną do śmiertelnej. W przypadku poziomu 5 występuje już zagrożenie poza obiektem. Instalacja jądrowa może ulec poważnemu uszkodzeniu, a na jej terenie może nastąpić uwolnienie większych ilości substancji promieniotwórczych. Poziom 6 odpowiada poważnej awarii, o bardziej istotnych skutkach dla obiektu i związanej z wydostaniem się do otoczenia znacznych ilości substancji promieniotwórczych. Poziom 7 to wielka awaria połączona z uwolnieniem do otoczenia bardzo dużych ilości substancji promieniotwórczych. Związane z tym są poważne skutki zdrowotne natychmiastowe oraz późniejsze, jak też długotrwałe skutki środowiskowe na większym obszarze.

Skala INES jest wykorzystywana do oceny zdarzeń we wszelkich instalacjach jądrowych, w tym, co oczywiste, w elektrowniach jądrowych. Awarii w Harrisburgu jest przypisywany poziom 5, katastrofie w Czarnobylu zaś poziom 7, co nie wzbudza zastrzeżeń. Problem występuje natomiast w przypadku wydarzeń w Fukushimie. Awarie poszczególnych bloków klasyfikowane są na ogół na poziomie 5, jednak z uwagi na ich równoczesne wystąpienie w kilku blokach pojawiły się informacje o możliwości usytuowania całości wydarzeń w japońskiej elektrowni na poziomie 7.

Warto wspomnieć o jeszcze dwóch awariach, a nawet katastrofach, w sposób pośredni związanych z reaktorami jądrowymi. Pierwsza z nich miała miejsce w roku 1957 w radzieckim, zamkniętym, syberyjskim, ośrodku Majak w rejonie Czelabińska, w południowo-wschodniej części Uralu, w pobliżu miasta Kysztym. Kombinat Majak wytwarzał pluton do celów militarnych, z odpowiednio nisko wypalonego paliwa jądrowego. W zakładzie tym miał miejsce wybuch termiczny w zbiorniku zawierającym rozpuszczone w kwasie azotowym wysokoaktywne odpady promieniotwórcze. W wyniku przegrzania podziemnego zbiornika, zawierającego prawdopodobnie kilkaset metrów sześciennych roztworu substancji silnie radioaktywnych, doszło do gwałtownego uwolnienia do otoczenia znacznej ich ilości. Nastąpiło skażenie promieniotwórcze dużego terenu, bardzo mało jest natomiast wiarygodnych informacji o wypadkach śmiertelnych, choć trudno przypuszczać, aby przypadków takich nie było. Istnieją szacunki wskazujące na 200 ofiar, w dalszym ciągu jednak przebieg i skutki katastrofy kysztymskiej, wynikającej głównie z niewłaściwego chłodzenia zbiornika roztworu, nie są w pełni wyjaśnione. Do otoczenia wydostała się, jak wspomniano, ogromna ilość silnie promieniotwórczej substancji, która skaziła bardzo rozległy teren, prawdopodobnie zupełnie niszcząc na dużej jego części życie biologiczne. Katastrofie tej „przyznano” poziom 6, co chyba jest oceną zaniżoną. Drugi wspomniany przypadek wystąpił w roku 1999 w japońskim mieście Tokaimura. Miała tam miejsce awaria polegająca na niezamierzonym osiąganiu krótkotrwałych stanów krytycznych z reakcją łańcuchową w zbiorniku doświadczalnej instalacji produkującej paliwo reaktorowe. Niekompetencja i lekkomyślność personelu spowodowały silne napromieniowanie 3 osób, z czego 2 pracowników wkrótce zmarło. Napromieniowaniu o mniejszej dawce uległo ponad 100 osób, awaria została zaś sklasyfikowana na poziomie 5.

Przykłady wybranych katastrof wywołanych „przemysłową” działalnością ludzkości

Od początku rozwoju energetyki jądrowej na zagadnienia bezpieczeństwa zwracano szczególną uwagę. Nie zapobiegło to jednak wielu awariom i sytuacjom stwarzającym, przez ten sektor, zagrożenie dla środowiska. O najbardziej znanych takich przypadkach już wspomniano, ale należy wyraźnie zaznaczyć, że historia rozwoju technicznego ludzkości pełna jest wydarzeń awaryjnych, a nawet tragicznych, którymi „płacono” za postęp i rozwój gospodarczo – ekonomiczny. Poniżej podano zestawienie zaledwie kilku wybranych zdarzeń, które bądź wiązały się z wieloma ofiarami śmiertelnymi, bądź też zostały wyjątkowo nagłośnione przez środki masowego przekazu (po prawej stronie podano liczbę ofiar śmiertelnych).

tabela_02_529x206

 Zwraca tu szczególną uwagę fakt tragicznych następstw wypadków w układach z zaporowymi elektrowniami wodnymi oraz katastrofa w Bhopalu 3 grudnia 1984. W tym ostatnim przypadku wybuch w wytwórni pestycydów spowodował wydostanie się do otoczenia ok. 40 ton silnie toksycznego izocyjanianu metylu, co skutkowało ogromną liczbą ofiar ludzkich, przy czym liczba rannych i niezdolnych do pracy była kilka razy większa od liczby ofiar śmiertelnych. Zupełnie wyjątkową i tragiczną postać miała jednak seria katastrof elektrowni wodnych w Chinach w roku 1975 zapoczątkowana zerwaniem tamy Banqiao w nocy z 7 na 8 sierpnia. Tajfun Nina spowodował opady deszczu o intensywności spodziewanej raz na 2000 lat. Tama nie wytrzymała naporu wody, a gwałtowna fala powodziowa o niezwykłym zasięgu spowodowała zalanie ogromnego obszaru zamieszkałego przez 11 milionów ludzi, jak też zniszczenie dalszych zapór. Ogółem zerwaniu uległy 62 tamy, zniszczonych zostało blisko 6 milionów budynków oraz według oficjalnych danych 26 tysięcy osób zginęło bezpośrednio podczas powodzi, a 145 tysięcy zmarło następnie w rezultacie epidemii i głodu. Niektóre źródła nieoficjalne sugerują jednak, że łączna liczba ofiar mogła osiągnąć wielkość ok. 230 tysięcy.

Powyżej przedstawiono wybrane awarie oraz katastrofy spowodowane ludzką działalnością i w zdecydowanej większości przypadków bezpośrednio lub pośrednio związane z szeroko rozumianą energetyką. Jak widać z podanych informacji rozgłos nadawany przez media takim zdarzeniom pozostaje często w rażącej dysproporcji w stosunku do rzeczywistych, nieraz rzeczywiście dramatycznych, ale nieraz też przecenianych skutków.

Energetyczne reaktory jądrowe generacji III , III+ oraz HTR

W przypadku budowy w Polsce elektrowni jądrowej niewątpliwie zainstalowane w niej zostaną reaktory wodne generacji III lub III+. Jak już wspomniano, w przypadku bloków z reaktorami wodnymi bardzo istotne jest, aby w razie najpoważniejszej nawet awarii substancje radioaktywne nie wydostały się na zewnątrz obudowy bezpieczeństwa. W przypadku awarii w Harrisburgu warunek ten został zachowany i na zewnątrz budynku reaktorowego wydostały się jedynie śladowe ilości izotopów promieniotwórczych. Odmienna sytuacja miała miejsce w Fukushimie, gdzie nadmierny przyrost ciśnienia wewnątrz obudów bezpieczeństwa spowodował wydostanie się do otoczenia już w pierwszym stadium awarii pewnej ilości substancji promieniotwórczych. W obu wspomnianych elektrowniach działały reaktory generacji II. Generację trzecią tworzą reaktory o bardziej rozwiniętych systemach bezpieczeństwa, przy czym podstawowym celem dokonanych modyfikacji było zwiększenie ich niezawodności oraz wyeliminowanie zagrożeń wynikających z błędów ludzkich przy obsłudze reaktorów. Wprowadzone w tym celu innowacje polegały głównie na zwielokrotnieniu systemów bezpieczeństwa lub na rozbudowie systemów pasywnych.

Przykładem pierwszego podejścia jest europejski reaktor EPR (rys. 4) . Jest to reaktor trzeciej generacji o konstrukcji bazującej na starszym typie reaktora PWR, ale charakteryzujący się korzystniejszymi parametrami eksploatacyjnymi oraz uproszczoną obsługą. Przy projektowaniu tego reaktora zastosowano podejście ewolucyjne, a poziom bezpieczeństwa podniesiono przez zwiększenie dyspozycyjności i niezawodności sprawdzonych systemów bezpieczeństwa (zwielokrotnienie systemów) oraz przez zastosowanie nowych rozwiązań łagodzących skutki potencjalnych awarii. Bezpieczeństwo reaktora zapewniają cztery oddzielne ciągi wszystkich układów bezpieczeństwa zainstalowane w czterech różnych segmentach, przy czym każdy z czterech ciągów systemów bezpieczeństwa posiada pełną wydajność. Elementem nowości w stosunku do poprzedniej generacji jest też podwójna obudowa bezpieczeństwa i wewnętrzna struktura budynku reaktorowego. W przypadku najgroźniejszej możliwej awarii wyciek stopionego rdzenia oraz jego schładzanie będzie się odbywać w specjalnie do tego przeznaczonym dole chłonnym na dnie studni reaktora. Ściany i podłoże tego pomieszczenia są pokryte grubą warstwą betonu, a układ chłodzący pod dołem chłonnym umożliwia odprowadzenie ciepła powyłączeniowego, schłodzenie oraz szybkie zestalenie materiału rdzenia. Na wypadek pojawienia się wodoru w obudowie bezpieczeństwa zainstalowano około 40 katalitycznych urządzeń do usuwania (wypalania) tego gazu.

Reaktory AP-600 oraz AP-1000 firmy Westinghouse to z kolei konstrukcje reaktorów wodnych ciśnieniowych z bardzo rozbudowanymi pasywnymi systemami bezpieczeństwa. Systemy te w maksymalnie możliwym stopniu wykorzystują naturalne zjawiska i nie zawierają żadnych ruchomych elementów aktywnych. Liczba i stopień złożoności czynności obsługowych tych systemów została ograniczona do minimum.  Rdzeń reaktora, zbiornik ciśnieniowy i jego struktura wewnętrzna są podobne do tych z wcześniejszych wersji reaktorów PWR firmy Westinghouse. Pętle chłodzące zawierają dwie gorące i cztery zimne gałęzie, a główne pompy chłodziwa zainstalowane są bezpośrednio w wytwornicach pary (rys. 5). W systemie awaryjnego chłodzenia rdzenia zainstalowano akumulatory wodne znane z poprzednich wersji reaktorów ciśnieniowych. Chłodzenie awaryjne następuje również za pomocą wody z układu oczyszczania chłodziwa (zbiorniki CMT). Nowością jest także wykorzystanie do chłodzenia obiegu pierwotnego wody z położonego powyżej reaktora olbrzymiego zbiornika (IRWST). Stalowy zbiornik obudowy bezpieczeństwa mieści cały obieg pierwotny wraz z pasywnymi systemami bezpieczeństwa. Zbiornik ten otoczony jest betonowym budynkiem ochronnym. Pomiędzy tym budynkiem a obudową bezpieczeństwa znajduje się szczelina gazowa pozwalająca na swobodny przepływ powietrza. Obniżanie nadciśnienia w stalowej obudowie jest realizowane wyłącznie na drodze naturalnej cyrkulacji i kondensacji pary. Ciepło z wnętrza obudowy bezpieczeństwa jest przewodzone przez stalową ścianę i unoszone przez przepływające powietrze. W przypadku dużej awarii rozszczelnieniowej naturalne chłodzenie przepływającym powietrzem jest wspomagane przez odparowanie wody na zewnętrznej powierzchni stalowej obudowy. Woda ta spływa grawitacyjnie do dysz spryskiwaczy ze zbiorników znajdujących się w szczycie budynku ochronnego.

Schemat typowego reaktora BWR drugiej generacji oraz jego obudowy bezpieczeństwa przedstawiono na rys. 6, rys. 7 zaś zawiera analogiczne schematy dla reaktora ABWR, a więc reaktora wrzącego trzeciej generacji. Projekt tego reaktora wykonany został przez firmę General Electric. Widoczne jest tu przede wszystkim znaczne uproszczenie bardzo istotnego układu reaktorowych pomp cyrkulacyjnych, polegające na wyeliminowaniu w projekcie zewnętrznych pętli recyrkulacyjnych chłodziwa. Rurociągi i zewnętrzne pompy recyrkulacyjne, a więc elementy będące miejscem potencjalnych wycieków chłodziwa, zastąpiono dziesięcioma wewnętrznymi pompami recyrkulacyjnymi umieszczonymi w komorze dolnej zbiornika ciśnieniowego reaktora. Rozwiązanie to zostało opracowane już wcześniej przez firmę ASEA-Atom i zastosowane w szwedzkich elektrowniach jądrowych. Zapotrzebowanie mocy do napędu pomp recyrkulacyjnych w reaktorze ABWR jest niemal o połowę niższe niż w przypadku pomp tradycyjnych, co dodatkowo wpływa korzystnie na efektywność całej elektrowni. Eliminacja zewnętrznych pętli recyrkulacyjnych zredukowała również narażenie personelu na promieniowanie podczas czynności obsługowych. Inną cechą reaktora ABWR są uproszczone, trzy całkowicie niezależne, aktywne, systemy bezpieczeństwa. Systemy te mają zdolność utrzymania rdzenia reaktora pod wodą w każdych warunkach. W przypadku awarii LOCA automatyczny system sterowania jest zdolny do kontrolowania przebiegu awarii w sposób niewymagający interwencji człowieka nawet przez 3 dni. Reaktor jest również wyposażony w pasywne systemy łagodzące skutki groźnych awarii, jak np. stopienie rdzenia. Jednym z nich jest system zatapiania wodą obszaru obudowy bezpieczeństwa poniżej zbiornika reaktora. Reaktor ABWR posiada również pasywny system chroniący obudowę bezpieczeństwa przed zniszczeniem w wyniku zbyt wysokiego ciśnienia.

Mówiąc o perspektywach rozwoju techniki reaktorów jądrowych warto nadmienić, że w ostatnich latach można zaobserwować na świecie i w Polsce pewien powrót do idei wspomnianych już reaktorów z moderatorem grafitowym i chłodziwem helowym. Reaktory te są dobrze znane i bezpieczne, choć nie zbudowano jeszcze komercyjnej wersji reaktora tego typu. Reaktor taki, np., o mocy elektrycznej bloku 300 MW, pracował w RFN w latach 1983 – 1989, po czym został wyłączony z przyczyn wyłącznie politycznych. W chwili obecnej prace nad tego rodzaju reaktorami prowadzone są głównie w krajach azjatyckich oraz w USA. Reaktory grafitowo – helowe mają wiele zalet eksploatacyjnych, a w przypadku wykorzystania toru, jako materiały rodnego możliwe jest w nich powielanie, nawet z nadmiarem, izotopów rozszczepialnych. Wysoka temperatura helu opuszczającego reaktor umożliwia ponadto jego wykorzystanie także jako źródła ciepła technologicznego, np. we wspomnianym już także procesie konwersji węgla na paliwa płynne. Ten fakt w warunkach polskich może stanowić dodatkową zaletę reaktorów HTR (High Temperature Reactors). Jeszcze inną zaletą reaktorów HTR, również bardzo istotną w warunkach polskich, jest ich stosunkowo niewielka moc – do ok. 300 MWe, co ma znaczenie ze względów lokalizacyjnych, jak również z uwagi na uwarunkowania sieciowe, a zwłaszcza na tzw. „wyprowadzenie mocy”.   

Podsumowanie

Sugerowana we wstępie celowość, a może nawet konieczność, budowy elektrowni jądrowych w Polsce jest przez pewne środowiska stanowczo kontestowana. Podstawowym argumentem wysuwanym przez część z nich są kwestie środowiskowe, czyli zagrożenia stwarzane przez eksploatację bloków energetycznych z reaktorami jądrowymi. Akurat te zarzuty są, paradoksalnie, najmniej uzasadnione. Jak wykazują statystyki, i o czym już wspomniano, produkcja elektryczności w układach z jądrowymi reaktorami wodnymi jest z punktu widzenia bezpieczeństwa oraz zagrożeń środowiskowych bardzo korzystna i porównywalna jedynie z energetyką gazową. Przedstawione powyżej reaktory wodne trzeciej generacji spełniają bardzo rygorystyczne wymagania stawiane elektrowniom jądrowym. Zgodnie z tymi wymaganiami, nawet w przypadku rozerwania obiegu pierwotnego obszar położony w odległości ok 1 km od elektrowni powinien być całkowicie bezpieczny i nie wymagać żadnych natychmiastowych działań ochronnych.

Możliwość budowy elektrowni jądrowej w Polsce jest uzależniona jednak od spełnienia także innych warunków, niż wyjątkowo ostre warunki bezpieczeństwa. Przede wszystkim niezbędne jest przyzwolenie społeczeństwa, a środowiska tzw. ekowojowników z pewnością wykorzystają wszystkie możliwości, aby nie dopuścić do akceptacji rozwoju energetyki jądrowej. Budowa elektrowni jądrowej wymaga także wielokierunkowych działań władz centralnych, a przede wszystkim Ministerstwa Gospodarki, w ramach, którego istnieje Departament Energetyki Jądrowej. Konieczna jest odpowiednia modyfikacja obowiązującego ustawodawstwa, w znacznym stopniu już zrealizowana, jak też niezbędny jest szereg bardzo istotnych działań „pomocniczych” – odpowiednie dostosowanie elektroenergetycznych sieci przesyłowych, powstanie na bazie Państwowej Agencji Atomistyki energicznie i restrykcyjnie działające organu nadzorczego, utworzenie odpowiedniego zaplecza naukowo-badawczego, czy też stworzenie warunków do maksymalnego wykorzystania możliwości polskich firm przemysłowych i budowlanych. Istnieje jeszcze jeden problem, o którym „głośno” się na ogół nie wspomina. Elektrownia jądrowa jest przedsięwzięciem niezwykle kapitałochłonnym, a z drugiej strony standardowy czas pracy obecnie budowanych bloków jądrowych to 60 lat, przy relatywnie niskich kosztach eksploatacyjnych. Konieczne jest, zatem zapewnienie odpowiednich źródeł finansowania, przy zapewnieniu opłacalności całej inwestycji. Jest to tym trudniejsze, że bloki jądrowe są w warunkach europejskich instalacjami o charakterze jednostkowym, indywidualnym, z trudnymi do dokładnego określenia całkowitymi kosztami. Niewątpliwie przeciwnicy powstania w Polsce elektrowni jądrowej będą wskazywać na przykład fińskiego bloku z reaktorem EPR w elektrowni Olkiluoto, którego budowa się znacznie przedłuża przy wzrastających kosztach. Z drugiej jednak strony budowa bloków jądrowych w Polsce może wiązać się z bardzo potrzebną zmianą struktury sektora energetycznego oraz z innymi, trudno wymiernymi korzyściami. Polska ma, jak wiadomo, unikalną strukturę źródeł elektryczności, gdyż ponad 90% procent tego nośnika energii powstaje na bazie węglowej. Utrzymanie takiego stanu nie wydaje się możliwe, a odnawialne źródła energii w naszych warunkach nie są w stanie dostarczać znaczących ilości prądu elektrycznego. Wielką niewiadomą są źródła gazu łupkowego. Nawet jednak gdyby potwierdziły się optymistyczne prognozy dotyczące tych źródeł, to spalanie znacznych ilości takiego paliwa w elektrowniach z turbinami gazowymi byłoby ewidentnym marnotrawstwem tego cennego paliwa i także surowca chemicznego. Rozwój energetyki jądrowej realizowany w odpowiedni sposób może i powinien ponadto przyczynić się do rozwoju sektora przemysłowego oraz badawczego związanego z tą bardzo nowoczesną i wymagającą technologicznie sferą wytwarzania elektryczności. Nie ulega przy tym wątpliwości, że pomimo przeprowadzenia niezbędnych działań zmierzających do ograniczenia energochłonności polskiej gospodarki oraz sektora komunalnego, zużycie elektryczności w Polsce będzie wzrastać, jeśli dalej mamy się wszechstronnie rozwijać.


Literatura

Celiński Z., Strupczewski A.: Podstawy energetyki jądrowej, WNT, Warszawa 1984.
Hore-Lacy I.: Nuclear Energy in the 21st Century, Elsevier Inc., Burlington 2006.
Jezierski G.: Energia jądrowa wczoraj i dziś, WNT, Warszawa 2005.
Składzień J.: Wydarzenia w Fukushimie, a perspektywy rozwoju energetyki jądrowej w Polsce, Informator Oddziału Wrocławskiego Stowarzyszenia Elektryków Polskich, Nr 12 i 13, Wrocław 2012.
Składzień J., Bury T.: Współczesne układy zabezpieczeń w elektrowniach jądrowych, Energetyka cieplna i zawodowa 6, 2009.
Składzień J., Bury T.: Czy i jaka energetyka jądrowa w Polsce, Energetyka cieplna i zawodowa 7/8, 2010.
Składzień J., Bury T., Fic A.: Bezpieczeństwo współczesnych wodnych reaktorów jądrowych na tle dotychczasowych najpoważniejszych awarii w energetyce jądrowej, rozdział monografii Jeleń K., Rau Z. (red.) – Energetyka jądrowa w Polsce, Wolters Kluwer Polska, Warszawa 2012.
Strupczewski A.: Awarie reaktorowe a bezpieczeństwo energetyki jądrowej, WNT, Warszawa 1990.
Strupczewski A.: Dlaczego awaria typu Czarnobyla nie może powtórzyć się w Polsce, referat wygłoszony podczas konferencji: Nukleonika na początku XXI wieku, XII Zjazd Polskiego Towarzystwa Nukleonicznego, Warszawa 16.04.2011.
Tsoulfanidis N. (ed.): Nuclear Energy, Selected Entries from the Encyclopedia of Sustainability Science and Technology, Springer, 2013.
Mohrbach L.: Tohoku-Kanto Earthquake and Tsunami March 11, 2011 and Consequences for Northeast Honshu Nuclear Power Plants, VGB Power Tech., Quelle: GRS, 2011.
http://en.wikipedia.org/wiki/Fukushima I Nuclear Power Plant, 15.03.2011.
http://en.wikipedia.org/wiki/Katastrofa_w_Bhopalu.
http://en.wikipedia.org/wiki/Tama_w_Banqiuao.
http://en.wikipedia.org/wiki/Kysztym. 

Rysunki

rys1_434x182

Rys. 1. Schemat bloku jądrowego z reaktorem wodnym ciśnieniowym PWR
[ Źródło: Własne opracowanie autora]

1 – rdzeń reaktora   |   2  – zbiornik reaktora |   3 – pręty pochłaniające neutrony  
4  – stabilizator ciśnienia   | 5 – wytwornica pary   |   6  – główna pompa cyrkulacyjna
7 – część wysokoprężna turbiny  |   8  – część niskoprężna turbiny   |   9 – separator i przegrzewacz pary
10 – generator prądu elektrycznego   |   11 – skraplacz   |   12 – pompa skroplin  
13 – podgrzewacze skroplin   |   14 – odgazowywacz   |   15 – pompa wody zasilającej
16 – podgrzewacze wody zasilającej

 

a)
rys1a_430x206

b)

rys1b_430x219

Rys. 2. Schemat bloku jądrowego z reaktorem wodnym wrzącym: a) BWR, b) ABWR
[ Źródło: Własne opracowanie autora]

1 – rdzeń reaktora   |   2  – zbiornik reaktora   |   3 – pręty pochłaniające neutrony
4  – reaktorowe pompy cyrkulacyjne   |   5 – separator wilgoci   |   6  – część wysokoprężna turbiny
7  – część niskoprężna turbiny   |   8  – separator i przegrzewacz pary
9  – generator prądu elektrycznego   |   10 – skraplacz   |   11 – pompa skroplin
12 – podgrzewacze skroplin   |   13 – odgazowywacz   |   14 – pompa wody zasilającej
15 – podgrzewacze wody zasilającej

rys3_336x280

Rys. 3. Obudowa bezpieczeństwa oraz typowe układy lokalizacji awarii w reaktorze PWR II generacji;
[Źródło:  Wykonał mgr inż.  Tomasz Bury]

1 – reaktor   |   2 – wytwornice pary oraz stabilizator ciśnienia   |   3 – główna pompa cyrkulacyjna
4 – akumulatory wodne   |   5 – awaryjny zbiornik wody   |   6 – pompa systemu wtrysku chłodziwa
7 – wymiennik ciepła   |   8 – pompa systemu zraszania   |   9 – spryskiwacze
10 – zbiornik ściekowy wody   |   11 – obudowa bezpieczeństwa

rys4_252x305
Rys. 4. Przekrój przez obudowę bezpieczeństwa reaktora EPR,
[ Źródło:  Wykonał mgr inż.  Tomasz Bury ]

1 – zbiornik ciśnieniowy reaktora   |   2 – wytwornice pary   |   3 – „łapacz” stopionego rdzenia
4 – wewnętrzna obudowa bezpieczeństwa   |   5 – zewnętrzna obudowa bezpieczeństwa
6 – dysze systemu zraszania

rys5_298x284
Rys. 5. Uproszczony schemat systemów bezpieczeństwa reaktora AP-600 (AP-1000)
[ Źródło:  Wykonał mgr inż. Adam  Fic ]

1 – stalowa obudowa bezpieczeństwa   |   2 – betonowy budynek ochronny
3 – zewnętrzny system zraszania obudowy bezpieczeństwa   |   4 – zbiornik wody
5 – dopływ powietrza   |   6 – szczelina gazowa   |   7 – wypływ powietrza

rys6_500x220
Rys. 6. Schemat układu chłodzenia oraz obudowy bezpieczeństwa typowego reaktora BWR
[ Źródło:  Wykonał mgr inż. Adam  Fic ]

rys7_500x244
Rys. 7. Schemat układu chłodzenia oraz obudowy bezpieczeństwa reaktora ABWR
[ Źródło:  Wykonał mgr inż. Adam  Fic ]

Share on FacebookTweet about this on TwitterGoogle+Print this page