Mitä Fukushiman ydinvoimalassa tapahtui ja miksi?

Transkriptio

1 Mitä Fukushiman ydinvoimalassa tapahtui ja miksi? Riku Mattila Kreditit esityksen kuva-aineistosta: AREVA / Dr. Matthias Braun Gesellschaft für Reaktorsicherheit Global Image NEI

2 Esityksen rakenne: 1. Miksi ydinenergian tuotto on potentiaalisesti vaarallista mistä vaara aiheutuu, ja mitä sen toteutumisen välttämiseksi pitää tehdä 1. Ydinturvallisuuden tekninen toteutus syvyyssuuntainen puolustus 1. Fukushiman onnettomuus mitkä kohdat edellä esitetystä pettivät mitä niiden toteutumisen toistumisen estämiseksi on tehty ja pitää jatkossa tehdä 2

3 Ydinenergiantuotannon perusteet Ydinvoimalaitos tuottaa sähköä höyryllä, joka saadaan kuumentamalla vettä uraaniytimien halkeamisessa vapautuvalla lämmöllä. Suuruusluokka: 60 watin sähkölampun ruokkimiseksi pitää sekunnissa halkaista n miljardia atomiydintä, jos sähkö tuotetaan ydinvoimalla polttaa n miljardia atomia, jos sähkö tehdään hiilellä Uraaniytimen haljetessa syntyy kaksi kevyempää ydintä, jotka ovat voimakkaan radioaktiivisia. Mitä enemmän polttoaineesta on otettu energiaa irti, sitä enemmän siinä on myrkyllisiä (=radioaktiivisia) aineita. Ydinturvallisuuden kannalta ratkaisevan tärkeää on, että uraanin halkeamisesta syntyvät myrkyt - samoin kuin polttoaineeseen ja primääripiirin veteen reaktorisydämen neutronipommituksessa syntyvät aktivoitumistuotteet - eivät pääse laitokselta ympäristöön. 3

4 Ydinvoimalaitoksen erityispiirre: jälkilämpö Lämmöntuotto reaktorissa ei lopu fissioketjureaktion pysähdyttyä, koska fissiotuotteet jatkavat omaa hajoamistaan, vaikka uusia halkeamisia ei enää tapahdu. Onnistuneesti pysäytetty reaktori on edelleen kuuma ja korkeassa paineessa sekä tuottaa lämpöä useiden megawattien teholla. Jälkilämmön poisto lopulliseen lämpönieluun (Suomessa meri) pitää varmistaa kuukausien ajaksi, ja reaktori pitää saada jäähdytettyä hallitusta tilasta (pysäytetty) turvalliseen tilaan (paineeton). Käytetty ydinpolttoaine pitää saada kaikissa tilanteissa pidettyä veden peitossa. Suuri osa ydinvoimalaitoksen turvallisuussuunnittelusta keskittyy siihen, miten pysäytetyn reaktorin jäähdytys saadaan varmistettua. Ensimmäisinä tunteina reaktorin sammuttamisen jälkeen jäähdytysveden tarve on suuruusluokkaa kg/s, josta se laskee n. 1-2 kg/s luokkaan päivien ja viikkojen kuluessa. 4

5 Ydinturvallisuuden päätavoite Ydinpolttoaineessa säteilytyksen seurauksena syntyneet myrkyt (=radioaktiiviset aineet) eivät saa päästä aiheuttamaan ihmisille säteilyaltistusta. Kaikki ydinturvallisuuden parantamiseen tähtäävät toimet palvelevat jollakin tavalla tätä pohjimmiltaan hyvin yksinkertaista tavoitetta. 5

6 Rakenteellinen syvyyssuuntainen puolustus: radioaktiivisten aineiden pidättäminen, leviämisesteet Jotta myrkkyjen pääsy polttoaineesta ympäristöön asti saataisiin estettyä, ydinvoimalaitoksilla sovelletaan useaan peräkkäiseen esteeseen perustuvaa filosofiaa. Deterministinen turvallisuusajattelu näkyy siinä, että polttoainevaurioiden välttämiseen tähtäävistä toimenpiteistä huolimatta myös niiden seurauksien ehkäisemiseen varaudutaan. Ympäristöön tapahtuvan päästön estäminen polttoainevaurioon johtavissa onnettomuustilanteissa perustuu syvyyssuuntaiseen puolustukseen. Mekaanisesti järjestely muodostuu peräkkäisistä leviämisesteistä, joiden kaikkien eheyttä valvotaan toisistaan riippumatta: Polttoaine ja sen suojakuori Primääripiiri Suojarakennus 6

7 Toiminnallinen syvyyssuuntainen puolustus Jotta ydinturvallisuuden tavoitteen toteutuminen saataisiin hallittavaan muotoon, radioaktiivisten aineiden leviämisen estämisessä sovelletaan edellä esitetyn rakenteellisen ydinturvallisuuden rinnalla ns. toiminnallista syvyyssuuntaista puolustusta. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että ydinvoimalaitoksen turvallisuussuunnittelu on jaettu useisiin perättäisiin syvyyspuolustustasoihin. Mikäli jokainen syvyyspuolustustaso saadaan toisistaan riippumattomaksi, läpi päässeiden tapahtumaketjujen määrä putoaa jokaisella tasolla, ja lopputuloksena päästään hyväksyttäväksi katsottavalle todennäköisyystasolle. 7

8 Syvyyssuuntainen puolustus Ydinvoiman käyttö ei saa altistaa ihmisiä säteilyvaaralle. Tämä pyritään estämään syvyyssuuntaisella puolustuksella: Estetään alkutapahtumien syntyminen (käyttöhäiriöt) Estetään alkutapahtumien kehittyminen onnettomuuksiksi Estetään onnettomuuksien eteneminen sydänvaurioihin Estetään sydänvaurion johtaminen ympäristöpäästöön Estetään ympäristöpäästöä aiheuttamasta säteilyannosta Deterministinen turvallisuusajattelu tarkoittaa, että vaikka tapahtuma pyritään suunnitteluratkaisuilla välttämään, siitä huolimatta varaudutaan sen seurausten lieventämiseen. Jos jokaisella tasolla saadaan pysäytettyä n. 99 % sille asti edenneistä tapahtumaketjuista, saadaan haittaa aiheuttavan ympäristöpäästön taajuus pudotettua niin pieneksi, että tilannetta voidaan pitää hyväksyttävänä (suuruusluokka alle yksi miljoonaa reaktorivuotta kohti). Olennaista on, että syvyyspuolustuksen tasot ovat toisistaan riippumattomia. 8

9 Häiriöiden ja onnettomuuksien etenemisen estäminen: moninkertaisuus- ja erilaisuusperiaate Häiriö- ja onnettomuustilanteiden estämiseen liittyy kaksi tärkeää periaatetta: Moninkertaisuusperiaate: tiettyä tehtävää (esim. reaktorin jälkilämmön siirtäminen mereen) hoitaa useampi (yleensä keskenään identtinen) järjestelmä, joista jo osan toiminta riittää huolehtimaan ko. turvallisuustoiminnosta. Esim. jos reaktoriin tarvitaan 20 kg/s jäähdytysvettä, laitos voidaan varustaa neljällä jäähdytyspiirillä, joista jokaisen kapasiteetti on 10 kg/s. (4 x 50 %) Tällöin yhden pumpun oleminen huollossa ja toiseen tullut vika eivät estä riittävää jäähdytystä. Erilaisuusperiaate: tiettyä tehtävää hoitaa kaksi, toimintaperiaatteiltaan tai ainakin laitteiltaan erilaista järjestelmää. Tällöin turvallisuustoiminto saadaan toteutettua, vaikka kaikissa keskenään samanlaisissa järjestelmissä olisi jokin huomaamatta jäänyt vika. Em. hätäjäähdytysjärjestelmän lisäksi voidaan rakentaa toinen hätäjäähdytysjärjestelmä, joka pumppaa reaktoriin vettä eri paikasta ja erilaisten pumppujen avulla kuin ensisijainen järjestelmä. Tällöin jäähdytys saadaan turvattua, vaikka kaikissa samanlaisissa pumpuissa olisi esim. virheellisestä huoltotyöstä johtuva vika. 9

10 Tämä teoriasta, nyt käytäntöön.. Mitä Fukushimassa tapahtui, ja miten onnettomuutta voidaan tarkastella edellä esitetyn valossa? 10

11 Honshun itärannikko klo 15:46 Japanin aikaa Suuri maanjäristys (9,0 Richterin asteikolla): mannerlaattojen reunan pystysuora liikahdus. Vaikutusalueella 4 ydinvoimalaitospaikkaa: Onagawa Fukushima 1 (Fukushima Dai-ichi) Fukushima 2 (Fukushima Dai-ni) Tokai Ongelmat kohdistuivat Fukushima Daiichin laitospaikalle, josta maanjäristys katkaisi yhteydet valtakunnan sähköverkkoon. 11

12 Maanjäristys ja tapahtuman ensi vaiheet Noin tunti maanjäristyksen jälkeen Fukushima Dai-ichin laitospaikalle iski yli kymmenmetrinen hyökyaalto, joka tuhosi merivesipumppaamon, 12 RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY ja kytkinlaitokset. dieselgeneraattorit

13 Hyökyaalto aiheutti suunnitteluperusteet ylittävät vauriot: kaiken vaihtosähkön sekä meriveden menetyksen. 13

14 Sähkönmenetyksen seuraukset: Reaktorit oli onnistuneesti pysäytetty jo maanjäristyksen jälkeen, mutta jälkilämmön poistaminen edellyttää jatkuvaa n kg/s jäähdytysvesivirtausta, jotta lämpö saadaan reaktorista mereen. Ennen tsunamia oltiin käyttöhäiriötilanteessa, jossa hätäjäähdytystä hoidettiin laitosten omien hätädieselgeneraattorien tuottamalla sähköllä. Tsunamin jälkeen nämä järjestelmät menettivät käyttövoimansa ja osan pumpuistaan. Fukushiman laitoksilla oli käytettävissä erilaisia, osin sähköstä riippumattomia hätäjäähdytysjärjestelmiä. 14

15 Fukushima Dai-ichi laitosyksiköiden hätäjäähdytysjärjestelmät Matthias Braunin (AREVA NP GmbH) pohjalta (5) 1) Jälkilämmönpoistojärjestelmä (1) 2) Matalapaineinen reaktorin ruiskutus (LOCAn varalta) (4) 3) Korkeapaineinen syöttö reaktoriin (LOCAn varalta) (3) (2) 4) Reaktorin eristysjäähdytys (2- ja 3-yksiköt [BWR4]) 5) Eristyslauhdutin (1-yksikkö [BWR3]) (6) 6) Boorausjärjestelmä 15

16 Onnettomuuden kulku: sähkön menetys Kyseisen laitossukupolven vahvuuksiin kuuluu vaihtosähköstä riippumaton menetelmä siirtää jälkilämpöä ulos reaktorista: 1. yksiköllä eristyslauhdutin yksiköllä höyryturpiinikäyttöinen Reactor & Containment Isolation Cooling System (RCICS). Ykkösyksiköllä eristyslauhdutin kytkettiin pois päältä maanjäristyksen jälkeen, jotta reaktorin jäähdytysnopeutta saataisiin rajoitettua normaalin alasajovauhdin mukaiseksi. Tsunamin jälkeisessä tilanteessa järjestelmä jäi tämänhetkisen tiedon mukaan kytkemättä uudestaan päälle, ja sydän jäi kokonaan ilman jäähdytystä. Kakkos- ja kolmosyksiköiden höyryturpiinipumput toimivat aikansa (2-3 päivää), mutta hajosivat lopulta ylikuumenemiseen. 16

17 Sydämen paljastuminen ja polttoaineen vaurioituminen Kiehutusvesireaktorissa jälkilämpö joitakin päiviä reaktorin pysäyttämisen jälkeen keittää reaktorista vettä n. 2 3 kg / s, eli reaktorin pinta laskee n. puoli metriä tunnissa, jos ei uutta vettä saada sisään. Fukushimassa tehtiin päätös ajaa reaktoreihin palopumpuilla merivettä, jotta voitaisiin estää reaktorisydänten sulaminen. Ongelmaksi kuitenkin ilmeisesti muodostui reaktorin paineen alennus palopumppujen edellyttämälle tasolle, kun akkusähköä ei ollut. Sydän ehti kaikilla laitosyksiköllä paljastua ennen meriveden saamista reaktoreihin. Ykkösyksiköllä jäähdytystä ilman oltiin varsin pitkään; kakkos- ja kolmosyksikön osalta tiedot ovat vielä jossain määrin epäselviä. 17

18 Polttoainevaurioiden syntyminen kiehutusvesireaktorissa Nyrkkisääntö BWR-reaktorisydämen vaurioitumiselle on, että pinnan laskettua sydämen puolivälin tasalle (-1,8 m) polttoaineen suojakuoren lämpötila nousee tasolle, jolla zircaloy alkaa reagoida vesihöyryn kanssa. Reaktio on eksoterminen (=itseään kiihdyttävä), ja sen seurauksena Vesihöyrystä vapautuu vetyä Suojakuori menettää tiiviytensä Toistaiseksi ei ole tietoa siitä, kuinka kauan ja kuinka suurelta osin reaktorisydämet ovat olleet paljastuneina. Vetyä on kuitenkin syntynyt kaikilla yksiköillä (1. 3.). 18

19 Fukushima Dai-ichi Suojarakennuksen paineistuminen ja vuoto Matthias Braunin (AREVA NP GmbH) pohjalta Suojarakennus Viimeinen este fissiotuotteiden vapautumiselle ympäristöön Seinämäpaksuus n. 3 cm Suunnittelupaine 4-5 bar Onnettomuuden aikana jopa 8 bar Normaalisti täytetty typellä Vety ja höyry nostavat painetta Ensimmäinen suojar:n paineenalennus 1: :00 2: :00 3: :41 19

20 Vetyräjähdykset 1. ja 3. yksiköillä Suojarakennuksen ulkopuolelle päässyt vety räjähti ykkös- ja kolmosyksiköiden reaktorirakennuksissa. Myös kakkosyksiköllä on ilmeisesti tapahtunut vetyräjähdys, joka on vaurioittanut wet wellin rakenteita (ja aiheuttanut merkittävän ilmapäästön). 20

21 Tilanteen kehittyminen Dramaattisimman vaiheen (vetyräjähdykset, kohtuullisen suuret ilmapäästöt) jälkeen tilanne on jossain määrin stabiloitunut, koska kaikkiin reaktoreihin sekä polttoainealtaisiin on jatkuvasti saatu syötettyä vettä. Päästöt jatkuivat kuitenkin viikkoja sekä ilmaan (vähentyen koko ajan) että mereen, koska syötettyä vettä ei alussa saatu kerättyä talteen. Edelleen päästöjä tulee, mutta määrät ovat miljoonasosien murto-osia maalis-huhtikuun tilanteesta. Keväällä keskityttiin järjestämään turpiinihallien lattioille kertyvälle, reaktoreista vuotavalle vedelle tilaa lauhduttimiin sekä syöttövesisäiliöihin pumppaamalla niistä vettä jätelaitokselle (ja jätelaitokselle vastaavasti saatiin tilaa pumppaamalla vähemmän aktiivista vettä mereen). 21

22 Tilanteen kehittyminen (2) Kesän aikana tilanteen stabiloinnissa saavutettiin kaksi edistysaskelta: 1. Talteen kerätyn jäähdytysveden puhdistusjärjestelmä saatiin käyttöön kesäkuun lopussa, jolloin uuden radioaktiivisen veden kertyminen saatiin pysäytettyä. 2. Polttoainealtaisiin saatiin rakennettua suljettuun kiertoon perustuvat jäähdytysjärjestelmät, joilla altaiden lämpötila on saatu laskettua 40 asteen alle. Lisäksi on aloitettu kevytrakenteisten sääsuojien rakentaminen laitosyksiköiden ympärille. 22

23 Ilmapäästöt Merkittävimmät ilmapäästöt näyttävät syntyneen kakkos- ja kolmosyksikön räjähdysten yhteydessä. Säteily on mahdollisesti suoraa säteilyä polttoainealtaasta.. 23

24 Karkea päästöarvio ilmakehään (japanilaiset NSC & JAEA) INES 7; suuruusluokka 10 % Tšernobylin päästöstä 24

25 Päästöt mereen Voimayhtiö ilmoittaa toistaiseksi ainoastaan jodi- ja cesiumnuklidien aktiivisuudet, joten sydänvaurioiden laajuutta ei ole mahdollista arvioida tulosten perusteella. 25

26 Tapahtuman opit Täysin yksityiskohtaista kuvaa tapahtumien kulusta ei vielä ole, koska reaktorisydämien tilaa ei ole vieläkään päästy tarkastamaan. Joka tapauksessa seuraaavanlaisia oppeja voidaan jo sanoa saadun: Kynnys vaatia turvallisuusparannuksia vanhoilta laitoksilta laskenee myös niissä maissa, joissa se tähän asti on ollut korkea. Ulkoiset uhat tullaan tapahtuman valossa käymään systemaattisesti läpi (Suomessa ensimmäinen vaihe toukokuun puoliväliin mennessä, lopullinen arvio ja toimenpidesuunnitelmat vuoden loppuun osana Euroopassa tehtäviä ns. stressitestejä). Täydentävät menettelyt polttoaineen jäähdyttämiseksi äärimmäisissä, varsinaisten suunnitteluperusteiden ulkopuolisissa tilanteissa (palopumput, paloautot jne. sähköstä riippumattomat ja mahdollisesti liikuteltavat järjestelmät) saanevat lisähuomiota. (Eristyslauhdutin on joka tapauksessa kaikissa nykyisin tarjolla olevissa BWR-laitoksissa.) Onnettomuustilanteiden pitkäaikainen hoito tilanteessa, jossa ympäröivän yhteisön rakenteet ovat kärsineet vaurioita tullee tähänastista tarkemmin tarkasteltavaksi (polttoaineen saanti, laitoshenkilöstön elin- ja työskentelyolosuhteet tilanteen pitkittyessä jne.) 26

27 Yhteenveto (2/3) Fukushiman laitosyksiköt edustavat vanhaa laitossuunnittelua ajalta, jolloin ydinvoimalaitosten turvallisuussuunnittelun perusteet eivät olleet vielä täysin hioutuneet. Huonona puolena tästä on tietty epätasaisuus varautumisessa eri uhkia vastaan; hyvänä puolena se, että laitoksilla oli useita eri toimintaperiaatteisiin perustuvia järjestelmiä. Uudemmissa laitoksissa eri toimintaperiaatteisiin perustuvia järjestelmiä on usein vähemmän, mutta olemassa olevien järjestelmien luotettavuutta on parannettu systemaattisella moninkertaistamisella ja erottelulla. Kaikkein uusimmissa laitoksissa diversiteetti on taas parempi, ja mm. eristyslauhduttimet ovat tehneet paluun kiehutusvesireaktoreihin. 27

28 Yhteenveto (3/3): cliff edge -ilmiöt Fukushiman ydinvoimalaitosyksiköiden oli osoitettu selviävän hyväksyttävästi kaikista tietyn rajan (=suunnitteluperuste) alapuolelle jäävistä tapahtumista. Tämän rajan ylitys johti tilanteen dramaattiseen heikkenemiseen: lähes kaikki turvallisuusjärjestelmät menetettiin yhtä aikaa. Kyseisen kaltaista tilanteen jyrkkää tilanteen pahenemista kutsutaan cliff edge -ilmiöksi, ja suhtautuminen siihen vaihtelee maasta toiseen. Maissa, joissa on paljon keskenään kilpailevia voimayhtiöitä tai ydinenergian käyttö on voimakkaasti politisoitunutta, selkeästi määritellyt suunnitteluperusteet ylittäville tapauksille on ollut vaikeampi esittää vaatimuksia kuin Suomessa, jossa vanhoillekin laitoksille on jatkuvasti tehty käyttökokemusten myötä parannuksia uusia uhkia vastaan - esimerkkinä suojarakennusten vahvistaminen kestämään reaktorisydämen sulamisonnettomuus. Määräänsä enempää vanhoja laitoksia ei kuitenkaan ole mahdollista parantaa, koska jotkut rajoituksista seuraavat suoraan laitoksen perussuunnittelusta tai sijoittelusta. 28

29 Kiitos mielenkiinnosta. Linkkejä lisätiedon äärelle: Säteilyturvakeskuksen Fukushima-sivu Japanilaisen NHK-uutiskanavan englanninkieliset sivut: Voimayhtiö TEPCOn tilannetiedotteet Saksalaisen GRS:n (Gesellschaft für Reaktorsicherheit) Fukushima-sivu Physics Forums -keskustelusivuston ydintekniikka-alue Mainichi News-uutispalvelu 29