Fukushiman ydinvoimalaonnettomuus: mitä laitoksella tapahtui ja miksi?

Transkriptio

1 Riku Mattila, STUK Fukushiman ydinvoimalaonnettomuus: mitä laitoksella tapahtui ja miksi? Radioaktiivisten aineiden synty reaktorissa Ydinvoimalaitos tuottaa sähköä keittämällä vettä höyryksi ja pyörittämällä höyryn avulla turpiineita. Ainoa ero polttamiseen perustuviin voimalaitoksiin verrattuna on se, että veden keittämiseen tarvittava lämpö saadaan uraaniatomien halkaisemisesta eikä polttoainemolekyylien hapettamisesta. Koska ydinreaktioissa vapautuu paljon enemmän energiaa kuin kemiallisissa reaktioissa, saadaan polttoaineen tarve ydinvoimaloissa pudotettua murto-osaan konventionaalisten voimalaitosten tarpeesta: kilosta uraania saadaan tehtyä ydinvoimalassa sama määrä sähköä kuin sadasta tonnista hiiltä hiilivoimalassa. Uraani ei ole säteilymielessä ongelmallinen aine, ja tuoretta ydinpolttoainetta voidaan käsitellä ilman säteilysuojausta. Radioaktiivisuus astuu mukaan kuvioon, kun uraaniatomi halkeaa: syntyvät halkeamistuotteet ovat poikkeuksetta radioaktiivisia, koska ne sisältävät liikaa neutroneita suhteessa protoneihin. Tasapainoon pyrkiessään ne lähettävät beta-säteilyä, jonka vaikutuksesta ylimääräiset neutronit muuttuvat protoneiksi, kunnes lopulta muutaman betahiukkasen jälkeen päädytään stabiiliin, eiradioaktiiviseen ytimeen. Halkeamistuotteiden ohella reaktorissa syntyy uraania raskaampia ytimiä, kun osa neutroneista ei aiheutakaan halkeamista, vaan jää ytimen sisälle. Näin syntyvät uraania raskaammat aineet (neptunium, plutonium, amerikium, curium) ovat yleensä alfa-aktiivisia, ts. ne pyrkivät stabiilia neutronimäärää kohti lähettämällä alfasäteilyhiukkasia. Uraanipolttoaine sijaitsee ydinreaktorin sisällä keraamisina uraanidioksidinappeina, jotka on pakattu päällekkäin polttoainesauvoiksi kaasutiiviiden suojakuorien sisään. Uraanin haljetessa syntyneet radioktiiviset halkeamis- eli fissiotuotteet jäävät uraanidioksidinapin sisälle, ja vain muutama prosentti erityisen helposti kulkeutuvista aineista (jalokaasut, jodi, cesium) tihkuu normaalikäytön aikana polttoainenapin ja suojakuoren väliseen kaasutilaan, johon niiden vaikutuksesta kehittyy vähitellen kaasunpainetta. Ydinturvallisuuden perusta: radioaktiivisten aineiden hallinta Ydinturvallisuus tarkoittaa kaikessa yksinkertaisuudessaan sitä, että uraanidioksidissa syntyvät halkeamistuotteet pysyvät polttoainesauvan sisällä eivätkä pääse sieltä ympäristöön aiheuttamaan säteilyaltistusta. Tämä edellyttää, että polttoainesauvan lämpötila saadaan pidettyä riittävän alhaisena, jotta suojakuori säilyttää tiiviytensä. Lisäksi polttoainenapin lämpötilan pitää pysyä alle uraanidioksidin sulamispisteen, ja tehonmuutosnopeuksien pitää pysyä kurissa, jotta äkillinen lämpötilan nousu ei pääse

2 hajottamaan säteilyn heikentämää nappia pirstomalla sitä. Tehon karkaaminen (= Tshernobyl ) voidaan estää laitoksen perussuunnittelulla; jälkilämpö vaatii aktiivisia toimia Tehonmuutosnopeudet ovat hallittavissa reaktorin perussuunnittelulla: kun pidetään huolta siitä, että uraanisauvojen ja niitä ympäröivien vesialueiden mitat ovat oikeassa suhteessa toisiinsa nähden, reaktorin luontaiset takaisinkytkennät saadaan negatiivisiksi niin, että mistä tahansa syystä tapahtuva lämpötilan nousu pienentää itsestään reaktorin tehoa. Kun reaktorin perussuunnittelu on oikein tehty, voidaan Tshernobylin onnettomuuden kaltainen nopeasta tehonnoususta aiheutuva radioaktiivisten aineiden nopea laajamittainen päästö estää niin, että siihen ei tarvita lainkaan aktiivisia turvallisuustoimenpiteitä: reaktori jarruttaa itse itseään luonnonlakien avulla. Uraanin halkeamistuotteiden säteillessä kohti stabiilia lopputilaa vapautuu kuitenkin koko ajan lämpöä, ja mikäli tätä lämpöä ei saada siirrettyä pois, polttoainesauvat pääsevät kuumenemaan, ja ennen pitkää niiden suojakuoret puhkeavat päästäen radioaktiivisia aineita ulos. Jälkilämpö ja polttoainevauriot: kevytvesireaktorin vakava onnettomuus Reaktorin käydessä n. 7 % lämmöstä muodostuu uraanin halkeamisen sijaan halkeamisja aktivoituimistuotteiden säteilystä niiden pyrkiessä kohti stabiilia, riittävän vähäneutronista lopputilaa. Keskikokoisessa ydinvoimalaitoksessa tämä tarkoittaa, että välittömästi reaktorin pysäyttämisen jälkeen jälkilämpö riittää keittämään n. 100 kiloa vettä sekunnissa. Minuuttien kuluessa veden tarve vähenee n. 20 kiloon sekunnissa, ja päivän kuluessa 2-3 kiloon, mutta tälle tasolle se jää kuukausien ajaksi. Reaktorin sammuttaminen ei siis riitä pysäyttämään lämmöntuottoa: kiehutusvesireaktorissa veden pinta pysäyttämisen jälkeen laskisi noin tunnissa polttoaineen yläreunan tasalle, mikäli reaktoria ei saataisi lainkaan jäähdytettyä. Polttoaineen yläpään paljastuttua sen lämpötila alkaa vähitellen nousta. Paljastuminen ei kuitenkaaan välittömästi johda ylikuumenemiseen, koska veden pinnalta haihtuva höyry pystyy ohivirratessaam jäähdyttämään paljaana olevaa polttoainetta. Kun pinta laskee n. 2-3 metriä sydämen yläreunan alle, höyryjäähdytys ei enää ole riittävän tehokasta, ja polttoainesauvan suojakuoren lämpötila saavuttaa astetta, jolloin suojakuoren zirkoniummetalli alkaa reagoida kemiallisesti vesihöyryn kanssa. Tällä reaktiolla on kolme seurausta: polttoainesauvan suojakuori hapettuu, pullistuu ja puhkeaa reaktiosta vapautuu lämpöä,joka kiihdyttää veden hukkaa entisestään reaktion seurauksena vesihöyrymolekyyli menettää happiatomin, ja jäljelle jää vetykaasua Sauvan puhjetessa vapautuu ensi vaiheessa se osa halkeamistuotteista, joka on reaktorin käytön aikana ehtinyt tihkua polttoainenapista sitä ympäröivään kaasutilaan. Mikäli lämpötila jatkaa nousuaan, fissiotuotteiden tihkumisvauhti kiihtyy, ja yhä hankalammin kulkeutuvia aineita alkaa päästä napista ulos. Helpoimmin vapautuvat jalokaasut, jodi ja kesium, joiden vapautuminen alkaa 700 asteessa, vapautumisvauhti kiihtyy 1000 asteen

3 jälkeen, ja napin saavuttaessa sulamislämpötilansa 2800 astetta (suojakuori sulaa jo 1700 asteessa) kaikki niistä ovat vapautuneet. Strontium vapautuu joitakin satoja asteita myöhemmin, ja polttoaineen pysyessä kuumana pitkään siitä pääsee vähitellen haihtumaan muitakin aineita. Radioaktiivisten aineiden kulkeutuminen voimalaitoksella ja päästön syntyminen Haihduttuaan ilmaan radioaktiiviset aineet jäähtyvät ympäröivän ilman lämpöisiksi. Jalokaasut pysyvät kaasuina, mutta muut aineet tiivistyvät ilman mukana kulkeviksi aerosolihiukkasiksi ja tarttuvat hanakasti vastaan sattuviin pintoihin. Onnettomuuspäästön minimoimiseksi niitä pyritään pidättämään laitoksen sisällä mahdollisimman pitkään, jotta ensinnäkin kaikkein nopeimmin hajoavat ja siksi voimakkaimmin säteilevät aineet ehtisivät puoliintua pois ennen ympäristöön pääsemistä, ja toisaalta suurin osa aerosoleista saataisiin "pestyä" ilmasta pois laitoksen pintoihin ja vesialtaisiin. Mikäli suojarakennus ei ole tiivis, radioaktiiviset aineet pääsevät sieltä ympäristöön. Ensimmäinen päästöpurkaus koostuu pääasiassa jalokaasuista, joiden puoliintumisaika on lyhyt ja niiden aiheuttama säteilyannosnopeus tästä syystä suuri. Jalokaasupilvi kulkee tuulten mukana ja sekoittuu jääden ilmakehään niin, että sen säteilyvaikutus jää lyhytaikaiseksi, ja siltä voidaan suojautua parhaiten vetäytymällä sisätiloihin siksi aikaa, että päästöpilvi menee yli. Aerosoleista välittömältä säteilyvaikutukseltaan merkittävin on jodi, josta laitokselta pääsee ulos se osuus, joka ei ole jäänyt suojarakennuksen pintoihin tai liuennut veteen. Jodi aiheuttaa suoran ulkoisen säteilyn lisäksi riskin sisäisistä annoksista, mikäli sitä pääsee ihmisen kilpirauhaseen. Tältä voidaan suojautua kyllästämällä kilpirauhanen jodilla juuri ennen päästöpilven tuloa, jolloin keho ei ota ympäristöstä itseensä radioaktiivista jodia. Muut päästöt koostuvat hitaammin puoliintuvista aineista tärkeimpänä cesium jotka eivät aiheuta nopeasti annosta, mutta saattavat laskeuman kautta johtaa maa-alueiden pitkäaikaiseen saastumiseen. Aerosolien laskeuma riippuu paitsi tuulen suunnasta, myös sateista, koska ne tulevat sadeveden mukana maahan. Vetykaasun vapautuminen suojakuoren vaurioituessa aiheuttaa vetypalon vaaran, ja tästä syystä suojarakennukset on joko täytetty typellä (kiehutusvesilaitokset) tai varustettu vedynpolttimilla (painevesilaitokset). Vanhoissa kiehutusvesilaitoksissa suojarakennus on kuitenkin niin pieni, että kaikki syntyvä vety ei välttämättä mahdu sinne, vaan painetta voidaan joutua alentamaan päästämällä kaasuja ulos. Mikäli paineenalennusjärjestelmässä ei ole suodattimia (tämä on tilanne valtaosassa maailman ydinvoimalaitoksia Suomi ja Ruotsi suodatettuine paineenalennusjärjestelmineen ovat poikkeus), suojarakennuksen paineen alentamisesta saattaa jalokaasujen lisäksi aiheutua merkittävä aerosolipäästö ympäristöön. Syvyyssuuntainen puolustusperiaate

4 Kuten edellä todettiin, ydinturvallisuus tarkoittaa sitä, että radioaktiivisia aineita estetään pääsemästä aiheuttamaan ihmisille säteilyannosta. Käytännön tasolla tähän pyritään jakamalla tehtävä useisiin peräkkäisiin tasoihin, joista ensimmäiset tähtäävät poikkeustilanteiden ehkäisemiseen, keskimmäiset polttoaineen jäähdytyksen varmistamiseen poikkeustilanteissa ja viimeiset polttoaineesta karanneiden radioaktiivisten aineiden leviämisen ja ympäristövaikutusten ehkäisemiseen: 1. Estetään alkutapahtumien syntyminen 2. Estetään alkutapahtumaa johtamasta onnettomuuteen 3. Estetään onnettomuutta aiheuttamasta sydänvauriota 4. Estetään sydänvaurion aiheuttamaa päästöä pääsemästä laitoksen ulkopuolelle 5. Estetään päästöä aiheuttamasta säteilyannosta ihmisille Deterministisellä turvallisuusajattelulla tarkoitetaan, että vaikka kukin yksittäinen taso pyritään tekemään niin hyväksi kuin mahdollista, siitä huolimatta varaudutaan siihen, että taso jollakin todennäköisyydellä pettää, ja otetaan seuraavan tason suunnittelun lähtökohdaksi se, että sitä edeltävät tasot ovat menettäneet toimintakykynsä. Jos päästään siihen, että alkutapahtumia (käyttöhäiriöt) sattuu enintään n. kerran vuodessa per laitos kaikki em. tasot toimivat 99 % luotettavuudella tasot ovat toisistaan riippumattomia saadaan vakavan sydänvaurion taajuudeksi n. kerran reaktorivuotta kohti. Tähän mennessä reaktorivuosia on kertynyt n , joten suuruusluokkana voidaan arvioida tavoitteen tulleen saavutetuksi. Neljättä tasoa ei vanhoilla laitoksilla välttämättä ole, ja sielläkin, missä se on (lähinnä Suomi ja Ruotsi), 99 % luotettavuuteen ei välttämättä päästä, joten päästö on vanhoilla laitoksilla todennäköisempi kuin mitä uusilta nykyään vaaditaan. Viimeinen eli viides tako tarkoittaa käytännössä valmiustoimintaa eli lähiympäristön evakuointia jalokaasu- ja jodipäästön alta, joditablettien oikea-aikaista ottamista sekä pitkän aikavälin toimia cesiumin saastuttaman maan puhdistamiseksi niin, että ihmisille aikojen kuluessa kertyvä säteilyannos saadaan mahdollisimman pieneksi. Fukushiman onnettomuus: usean syvyyspuolustustason samanaikainen menetys Japanin itärannikolla klo 14:46 tapahtunut maanjäristys johti Fukushima Daiichin laitospaikalla ulkoisen sähköverkon menetykseen. Kyseessä on käyttöhäiriö, jollaisia ydinvoimalaitoksilla voidaan olettaa tapahtuvan n. kerran vuodessa. Käynnissä olleet laitosyksiköt menivät pikasulkuun, ja reaktorien jälkilämmön poisto siirtyi ulkoisen verkon menetystilantoissa käytettävien, varavoimadieselgeneraattoreilta voimansa saavien järjestelmien varaan. Ykköslaitosyksikön jäähdytyksestä huolehti erityinen eristyslauhdutin, joka ei tarvitse toimiakseen lainkaan ulkoista käyttövoimaa. Eristyslauhdutin kytkettiin n. 20 minuutin käytön jälkeen pois päältä, ja ykkösyksikön jäähdytys siirtyi apusyöttövesijärjestelmän tehtäväksi. Muilla käynnissä olleilla yksiköillä (2. ja 3.) vettä syötettiin reaktoriin höyryturpiinikäyttöisillä eristysjäähdytysjärjestelmillä.

5 Tunti maanjäristyksen jälkeen laitospaikalle iski yli 14 metriä korkea hyökyaalto, joka aiheutti mittavat mekaaniset vahingot sekä tulvitti laitoksen kaikki sähkötilat. Tällöin tilanne muuttui käyttöhäiriöstä onnettomuudeksi. Maanjäristyskestävyyden parantamiseksi suuri osa onnettomuustilanteiden hoidossa tarvittavista laitteista (syvyyspuolustustaso 3) oli sijoitettu kellareihin, joten onnettomuustilanteen hoito ei onnistunut kuten sen olisi pitänyt. Tärkein syy sydänvaurioiden menetykseen oli akustojen kastumisesta johtunut prosessimittaustietojen täydellinen menetys klo 15:50-20:49. Ykkösyksikkö menetettiin inhimillisen virheen, kakkos- ja kolmosyksikkö teknisten ongelmien takia Ykköslaitosyksikön apusyöttövesijärjestelmän pumppu pysähtyi tsunamin tultua. Eristyslauhdutin, joka oli ehditty kytkeä pois päältä klo 15:03, olisi ollut täysin käyttökelpoinen, mutta johtuen lähinnä onnettomuustilanteen kaoottisuudesta (ml. valvomon täydellinen sähkökatko), hätätilanneohjeiden puutteellisuudesta sekä laitospaikan valmiusorganisaation toimimattomuudesta sitä ei koskaan otettu käyttöön. Tästä syystä ykkösyksikön sydän vaurioitui vakavasti jo kolme tuntia maanjäristyksen jälkeen klo 18:00 alkaen, kun vaille jäähdytystä jäänyt reaktorisydän paljastui ja ylikuumeni. Tilanne selvisi operaattoreille vasta yön mittaan, kun laitoksen säteilytasot alkoivat nousta. Lähialueen asukkaiden evakuointi ehdittin kuitenkin aloittaa hyvissä ajoin. Aamuun mennessä kävi ilmeiseksi, että ykkösyksikön sydän on vakavasti vaurioitunut. Laitospaikalla oli valmius syöttää reaktoriin vettä palovesijärjestelmällä, mutta sekä reaktorin että suojarakennuksen painetta oli ensin tarvetta alentaa, jotta palopumppujen tuottama paine riittäisi painamaan vettä perille asti. Paineen alennukseen tarvittavat järjestelmät osoittautuivat hankaliksi käyttää, kun sekä vaihtosähkö että akkusähkö oli menetetty, ja tästä aiheutui usean tunnin viive paloveden sisään syöttöön. Samasta syystä suojarakennuksen paine ehti nousta niin suureksi, että vetyä alkoi vuotaa typpitäytteisestä suojarakennuksesta sen ulkopuolella sijaitseviin osiin reaktorirakennusta, mistä aiheutui ykkösyksikön reaktorihallissa tuhoa aiheuttanut vetypalo. Kakkos- ja kolmosyksikkö selvisivät tsunamin aiheuttamasta mittaustietojen menetyksestä ilman sydänvaurioita, koska niiden turpiinikäyttöiset jäähdytyspumput saivat itsenäisesti pidettyä polttoaineen veden peitossa. Niiden käyttöä kuitenkin uhkasivat sekä akkusähkön puutteesta johtuneet ohjausongelmat että merivesijäähdytyksen puutteesta johtunut suojarakennuksen vähittäinen paineen nousu, kun sinne johdettiin reaktorin jälkilämmön tuottamaa vesihöyryä. Ennen pitkä sekä kakkos- että kolmosyksikön jäähdytyspumppu hajosi (kolmosella kahden, kakkosella kolmen päivän käytön jälkeen), ja ykkösysiköllä jo koetut paineenalennusongelmat toistuivat sillä seurauksella, että sen paremmin kolmos- kuin kakkosyksikölläkän ei saatu paloveden pumppausta riittävän nopeasti käyntiin ja sydän pääsi paljastumaan ja vaurioitumaan. Kolmosyksiköllä toistuivat ykkösyksikön vetyongelmat, ja vedyn pitoisuus kolmosen reaktorihallissa oli syttymishetkellä niin korkea, että vetypalon (deflagraatio) sijasta siellä tapahtui voimakkaampi vetyräjähdys (detonaatio). Onnettomuuden päästöjen kannalta merkityksellisin tapahtuma näyttäisi kuitenkin olleen näyttävien vetypalojen ja -räjähdysten sijaan katseilta ja kameroilta piilossa tapahtunut kakkosyksikön suojarakennuksen pettäminen ylipaineen seurauksena.

6 Onnettomuuden jälkihoito Muutaman päivän jälkeen veden syöttö reaktoreihin ja polttoainealtaisiin saatiin käyntiin tilapäisillä pumppuratkaisuilla - ensin meriveden, myöhemmin paikalle saadun makean veden muodossa. Polttoainealtaiden osalta tilanne näyttää hyvältä: lämpötilat ovat alle 30 astetta, vuotoja ei ole ja polttoainevauriot näyttävät jääneen rajallisiksi. Reaktorien osalta tilanne on vaikeampi, koska suojarakennukset vuotavat ja kaikki reaktoreihin pumpattava vesi - tällä hetkellä n. 10 tonnia tunnissa kullekin kolmelle maanjristyshetkellä käynnissä olleelle yksikölle - vuotaa rakennusten kellareihin. Kesällä laitospaikalle saatiin rakennettua kaksi rinnakkaista puhditusjärjestelmää, joilla kellareista talteen pumpattava vesi puhdistetaan radioaktiivisista aineista (lähinnä cesium) ja kierrätetään takaisin reaktoreihin. Reaktorien lämpötilat on saatu laskemaan n. 70 asteen tuntumaan (ykkösellä jo alle 50 astetta) ja kellareissa vedenpinta on pohjaveden alapuolella, joten tilanne ei enää merkittävästi pahene, mutta onnettomuuden jälkihoito on ohi vasta, kun veden pinta suojarakennuksissa saadaan nostettua vaurioituneen polttoaineen yläpuolelle ja vaurioitunut polttoaine poistettua. Tämän edellyttämät vuotojen etsimis- ja paikkaustyöt vievät pitkään reaktorirakennusten korkean säteilytason vuoksi. Edessä on todennäköisesti vuoden urakka. Ilmapäästöt laitospaikalta vähenivät merkittävästi ensimmäisten viikkojen kuluessa, kun jodi-131 puoliintui pois. Tällä hetkellä ykkösyksikkö on katettu kevytrakenteisella sääsuojalla, ja kakkos- ja kolmosyksiköille vastaava on suunnitteilla. Sääsuojan sisälle ollaan rakentamassa kaasunkäsittelyjärjestelmiä, joilla voidaan entisestään pienentää vielä vähäisessä määrin jatkuvia ilmapäästöjä. Johtopäätöksiä Merkittävin syy onnettomuuteen oli useamman syvyyspuolustustason yhtäaikaiseen menetykseen johtanut alkutapahtuma. Useamman tason menetys oli ensi sijassa seurausta laitteiden fyysisen erottelun puutteista, ts. siitä, että suurin osa niistä sijaitsi tulvineissa kellaritiloissa. Vanhan laitoksen vahvuus oli useiden erilaisten järjestelmien olemassaolo, mutta heikkoutena puolestaan niiden heikko luotettavuus onnettomuusolosuhteissa. Ykkösyksikön menetyksen välitön syy oli kuitenkin teknisten vikojen sijaan hätätilanneohjeistossa, joka ei ohjannut valvomo-operaattoreita epäselvässä tilanteessa tekemään oikeaa toimenpidettä (eristyslauhduttimen käynnistys), eikä laitospaikan organisaatiosta löytynyt henkilöä, joka olisi voinut tukea valvomohenkilökuntaa päätöksenteossa. Kakkos- ja kolmosyksikön polttoainevaurioiden välitön syy oli paineealennusjärjestelmien heikko käytettävyys sähkönmenetystilanteessa. Onnettomuuden seurauksia pahensi merkittävästi se, että laitosten suojarakennuksia ei ollut suunniteltu kestämään vakavaa sydänvauriota: sen tilavuus oli riittämätön, ja lisäksi paineenalennusjärjestelmässä ei ollut lainkaan suodattimia. Valmiustoiminta (syvyyspuolustuksen 5. taso) vaikuttaisi lähteneen käyntiin ripeästi, mutta joditablettien ottamisessa esiintyi paikoitellen tarpeettomia viivytyksiä kriteerien epäselvyyden takia.