PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2019 Prof. Filip Tuomisto Fukushima jatkuu, torstai 14.2.2019
Päivän aiheet Fukushima jatkuu (lähde: Riku Mattila, STUK) Tekemistä seuraaviksi viikoiksi Palaute
Reaktiivisuus / jäähdytys hallittava aina Valtaosa reaktorin käyttöajasta on normaaliteholla tapahtuvaa käyttöä ja turvallisuusjärjestelmät on suunniteltu ennen kaikkea sitä varten PRA kuitenkin osoitti, että myös matalilla tehotasoilla ja seisokin aikana voi vallita suuri osa riskeistä, vaikka jäähdytepiiri ei ole kuuma eikä paineistettu, polttoaine ei ole kuumaa ja sen jälkilämpöteho pienempi Kaikki tilanteet käsittävät myös vaiheet, jolloin polttoaine ei ole sydämessä Tuoreen polttoaineen rikastus, valmistus, kuljetus ja varastointi Käytetyn polttoaineen varastointi voimalan altaissa, keskipitkän ajan KPAvarastossa, sen loppusijoitus Muualla kuin sydämessä ei saa ollenkaan tapahtua ketjureaktioita eli tuoreet ja käytetyt polttoaineet pidettävä alikriittisinä, kasvutekijä < 0.95 Käytön jälkeen on huomioitava polttoaineen jäähdytys Käytön jälkeen polttoaineen reaktiivisuus on pienentynyt, muttei olematon
Fukushima Dai-ichi Maanjäristys 11.3.2011 klo 14:46 Japanin aikaa Tyynellä merellä, n. 100 km Japanin itärannikosta tapahtui suuri maanjäristys (9,0 Richterin asteikolla), jonka aiheutti mannerlaattojen reunan pystysuora liikahdus Maanjäristys aiheutti vakavia vaurioita paikalliselle infrastruktuurille: kulkuyhteydet tietoliikenneyhteydet sähköverkot vesivoimalaitoksen patomurtuma
Maanjäristysalueen voimalaitokset Maanjäristyksen vaikutusalueella on 4 ydinvoimalaitospaikkaa: Onagawa Fukushima Dai ichi Fukushima Dai ni Tokai Maanjäristys ei aiheuttanut merkittäviä vahinkoja alueen ydinvoimalaitoksille Kaikki käynnissä olleet laitosyksiköt pysähtyivät automaattisesti järistyksen seurauksena, ja turvallisuusjärjestelmät huolehtivat niiden jälkilämmön poistosta Fukushima Dai ichin laitos menetti yhteyden valtakunnan sähköverkkoon, joten siellä turvallisuusjärjestelmät siirtyivät varavoimadieselgeneraattorien perään Noin tunti maanjäristyksen jälkeen Fukushima Dai ichin laitospaikalle iski 40 km/h nopeudella 15 metriä korkea hyökyaalto.
Hyökyaalto tuhosi Fukushima Dai-Ichissä suuren määrän laitteistoa mekaanisen iskun ja tulvimisen kautta varavoimadieselgeneraattorit polttoaine ja vesisäiliöitä tärkeimmät sähkönjakelulaitteet laitoksen mittaus ja ohjausjärjestelmät laitosalue jäi tulvan laskettua rojun peittoon: toiminta laitosalueella hankaloitui merkittävästi
Hyökyaalto vyöryy Dai-ichiin
Tsunamin vaikutus muilla laitosyksiköillä
Tsunamin vaikutus Dai-ichin laitospaikalla Täydellinen vaihtosähkön menetys vei kaikki sähköllä käyvät pumput käyttökunnottomiksi. Laitoksella oli kuitenkin myös sähköstä riippumattomia jäähdytysjärjestelmiä, joten akuuttia hätää ei olisi pitänyt olla Ykkösyksikön kohtaloksi tuli tsunamin myötä tullut valvomon sähkökatko (tasasähkojen menetys), jonka seurauksena reaktorin pintaa ei pystytty seuraamaan ja (täysin toimintakykyinen) eristyslauhdutin jäi kiinnipäin vikaantuneiden venttiilien taa Kakkos- ja kolmosyksiköiden turpiinikäyttöiset pumput saatiin käyntiin, mutta tasasähkön puute sekä suojarakennuksen merivesijäähdytyksen menetys haittasivat niiden käyttöä
Ykkösyksikön vaurioituminen
BWR-reaktorin ja suojarakennuksen paineen alennus
Miksi ykkösyksikkö menetettiin? Ykkösyksikkö menetettiin, vaikka sen eristyslauhduttimessa olisi ollut vettä jälkilämmön passiiviseen poistamiseen 6 tunnin ajaksi. Tämänhetkisen käsityksen mukaan Tilannetta lähdettiin hoitamaan (aivan oikein) normaalina ulkoisen verkon menetyksenä ja vahdittiin paineastian jäähtymisnopeutta Tsunamin vietyä sähköt tilanne muuttui, mutta muuttuneeseen tilanteeseen ei reagoitu siirtymällä täyden sähkönmenetyksen hätätilanneohjeisiin. (Tarkkaa tietoa laitoksen hätätilanneohjeistosta ei ole) Eristyslauhduttimen käyttöohjeissa edellytetään tietoa pinnanmittauksesta venttiilin avaamisen ja sulkemisen ohjaamiseksi. Kun pinnanmittaus menetettiin, jouduttiin takalukkotilanteeseen, kun ohjeesta ei enää ollut apua. Lisäksi eristysventtiilit saivat kiinnimenokäskyn, kun tasasähkö menetettiin Tilanne on ollut muutenkin sekava (valvomon sähkökatko jne.) Laitoksen organisaatiosta ei löytynyt valvomohenkilökunnan tueksi henkilöä, jolla olisi ollut tieto tilanteesta sekä kyky ja valta ohjeistaa avaamaan eristyslauhduttimen venttiili käyttöohjeen kirjaimen vastaisesti (paineastian liian nopea jäähtyminen olisi ollut tilanteessa selvästi pienempi paha verrattuna reaktorin jättämiseen kokonaan ilman jäähdytystä)
Kakkosyksikön vaurioituminen
Kolmosyksikön vaurioituminen
Miksi kakkos- ja kolmosyksikkö menetettiin? Turbiinikäyttöiset jäähdytyspumput (RCIC) syöttivät kakkos- ja kolmosyksikön reaktoreihin vettä pari päivää tsunamin jälkeen. Järjestelmien kanssa oli kuitenkin ongelmia: Venttiilien ohjaukseen tarvittava akkusähkö ehtyi useaan otteeseen, ja siirrettävien dieselgeneraattoreiden käyttöön ei ollut heti valmiutta. Turbiinin läpi virrannut höyry kuumensi lauhdutusaltaan pienen vesitilavuuden kiehumispisteeseen, ja turbiineilta hävisi tyhjö, aiheuttaen ennen pitkää mekaaniset vauriot. RCICillä olisi periaatteessa voinut välillä ajaa kylmää vettä reaktorin sijasta myös lauhdutusaltaaseen ja parantaa sen kykyä ottaa lämpöä vastaan, mutta tällaiseen tilanteeseen ei ollut ohjeita eikä sitä ollut muutenkaan suunniteltu.
Reaktorien pelastaminen palovettä syöttämällä Laitospaikalla oli valmius syöttää reaktoreihin vettä paloautoista tai kiinteillä dieselkäyttöisillä pumpuilla, joita säilyi tsunamissa ehjänä. Käytännössä kuitenkin osoittautui, että reaktorin ja suojarakennuksen paineen alentamiseksi tarvittavat toimenpiteet olivat niin monimutkaisia ja edellyttivät samanaikaista tasasähkön ja paineilman saantia, että paineenalennus kaikilla yksiköillä viivästyi ja sydän pääsi paljastumaan ennen kuin palovettä alkoi mennä sisään Suojarakennuksen paineenalennusta hidasti myös se, että järjestelmässä ei ollut suodattimia, joten puhallus aiheutti väistämättä päästön. Silti sen käynnistäminen oli tehty inhimillisestä päätöksenteosta ja operaattoritoimenpiteistä riippuvaksi
Esimerkki: vanhojen GE:n BWR-laitosten ulospuhallusjärjestelmä
Polttoainealtaiden vedenpinta ja suora gammasäteily
Päästöjen pääosa tuli ensimmäisellä viikolla
Laskeuma-alueen säteilytasot laskivat kesän mittaan
Pahin laskeuma-alue on pieni Saastuneimmilla alueilla oleskelu aiheuttaisi ensimmäisen vuoden aikana selvästi luonnon taustasäteilyä suuremman säteilyannoksen (enemmän kuin 10 millisievertiä). Alue ulottuu noin 50 kilometrin päähän laitokselta ja on 15 20 kilometriä leveä, pinta-alaltaan noin 870 neliökilometriä Lievemmin saastunut alue, jolla oleskelu aiheuttaisi ensimmäisenä vuonna luonnon taustasäteilyn suuruusluokkaa olevan säteilyannoksen (1 10 millisievertiä), ulottuu enimmillään noin 80 kilometrin päähän voimalaitokselta ja on arviolta noin 3000 neliökilometriä Radioaktiivista laskeumaa havaitaan pieniä määriä paljon laajemmallakin alueella, koska ilmavirtausten mukana päästön radioaktiiviset aineet levisivät kauas. Tämä havaittiin esimerkiksi Tshernobylin onnettomuuden jälkeen lähes koko Euroopassa
Cesiumin laskeuma-alueet ja ulkoiset säteilyannokset Karttaan on merkitty cesiumin laskeuma-alueet ja arviot alueista, joilla ulkoisesta säteilystä johtuva annos ensimmäisenä vuonna ylitti 10 millisievertiä (aniliini) ja 5 millisievertiä (musta). Lisäksi kauempana on pieniä hajanaisia alueita, joilla annokset saattavat olla samaa suuruusluokkaa Suomalaisten ulkoisesta annosnopeudesta aiheutuva vuotuinen säteilyannos on 0,4 3 millisievertiä
Vaurioituneiden laitosten saattaminen turvalliseen tilaan Onnettomuuden jälkihoitotyöt ovat edenneet pääpiirteissään laaditun suunnitelman ja aikataulun mukaisesti. Laitosten jälkihoidon vaiheet ovat: reaktorien ja polttoaineiden lämpötilojen alentaminen 40 asteen tuntumaan polttoaineen poistaminen polttoainealtaista reaktorien suojarakennusten täyttäminen reaktorisydämien yläpuolelle asti ja vaurioituneen / sulaneen polttoaineen poistaminen rakennuksista
Reaktorien jäähdytyskierto
Reaktorien ja vaurioituneen polttoaineen tila Reaktorien menetettyä jäähdytyksen veden pinta reaktoripaineastioissa laski polttoaineen alapuolelle, polttoaine ylikuumeni ja vaurioitui Ykkösyksikön polttoaine oli niin pitkään ilman jäähdytystä, että se on todennäköisesti kokonaan sulanut; sulaa massaa on mahdollisesti voinut tulla myös paineastian ulkopuolelle Myös kakkosyksikkö oli nykytiedon mukaan niin pitkään ilman jäähdytystä, että sydän on todennäköisesti suurelta osin sulanut Kolmosyksikön polttoainevaurioiden määrästä ei nykytietojen perusteella pysty antamaan varmaa arviota, mutta todennäköisesti sulamista on ainakin jossakin määrin tapahtunut myös siellä Onnettomuuden alkupäivien jälkeen reaktoreihin on syötetty jatkuvasti vettä, minkä seurauksena vaurioitunut ja sulanut polttoaine on saatu uudelleen jäähtymään ainakin pinnaltaan
Tapahtuman opit Täysin yksityiskohtaista kuvaa tapahtumien kulusta ei vielä ole, koska reaktorisydämien tilaa ei ole vieläkään päästy tarkastamaan. Jotakin on varmasti kuitenkin otettu jo opiksi: Kynnys vaatia turvallisuusparannuksia vanhoilta laitoksilta laskenee myös niissä maissa, joissa se tähän asti on ollut korkea Ulkoiset uhat tullaan tapahtuman valossa käymään systemaattisesti läpi (Euroopassa ns. stressitestit). 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.) Vakaviin onnettomuuksiin varaudutaan tosissaan niissäkin maissa, joissa tähänastinen valmius on ollut heikko Onnettomuustilanteiden pitkäaikainen hoito tilanteessa, jossa ympäröivän yhteisön rakenteet ovat kärsineet vaurioita tullee tähänastista tarkemmin tarkasteltavaksi (polttoaineen saanti, laitoshenkilöstön elin- ja työskentelyolosuhteet tilanteen pitkittyessä jne.)
Opit jatkuvat 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
Vieläkin lisää oppia 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.
Yhteenveto? Turvallisuusjärjestelmät ovat toimineet suunnitelluissa tilanteissa odotetusti Suuret tapahtuneet onnettomuudet ovat johtuneet monimutkaisista tapahtumaketjuista on tutkittava aina uudentyyppisiä häiriö- tai onnettomuusmahdollisuuksia sekä laitosten suunnittelussa että käytössä. Uusimmat tapahtumat korostavat, että turvallisuuteen ei saa tuudittautua, vaikka kaikki on pitkään sujunut hyvin Tuhoisia ovat kiire, asiantuntemattomuus, taloudelliset paineet sekä suunnitteluperusteiden unohtaminen tai se, ettei niitä tarvittaessa kyseenalaisteta
Kotitehtävä maanantaiksi 25.2. Lue sivut 1 10 (johdanto) IAEA:n raportista Advances in Small Modular Reactor Technology Developments sekä kuvaukset seuraavista reaktorimalleista: NuScale (ss. 121 128) RITM-200 (ss. 178 185) HTR-PM (ss. 213 220) 4S (ss. 283 290) Integral Molten Salt Reactor (ss. 323 330) Lue sivut 1 41 OECD-NEA:n raportista Small Modular Reactors: Nuclear Energy Market Potential for Near-term Deployment. Vastaa seuraaviin kysymyksiin: Kuvaile lyhyesti eri reaktorikonseptit Mitkä ovat näiden konseptien tärkeimmät erot toisiinsa nähden? Mitkä ovat näiden konseptien tärkeimmät erot nykyisiin kevytvesireaktoreihin? Mitä näillä konsepteilla tavoitellaan? Minkätyyppisiä haasteita SMR-konsepteilla on edessään?
Kotitehtävä maanantaiksi 25.2. jatkuu Lue sivut 1 96 Kristiina Söderholmin väitöskirjasta (Lappeenrannan teknillinen yliopisto, 2013) Licensing model development for small modular reactors (SMRs) - focusing on the Finnish regulatory framework (löytyy mycoursesista) Pohdi pienten modulaaristen reaktoreiden käyttöönoton edellytyksiä (Suomessa): Modulaarisuus: reaktori, järjestelmät, yksittäiset osat Yhteiset turvallisuustoiminnot ja defence-in-depth Sarjatuotanto Kustannukset Lisensiointi
Valmistautumista pohdiskeluihin Valitse tähänastisen lukemasi kirjallisuuden sekä luentojen pohjalta kolme maailmalla tapahtunutta onnettomuutta sekä läheltä piti tilannetta. Vertaile niitä virheistä oppimisen ja turvallisuuden kehittämisen näkökulmasta. Voisiko asioita voisi suunnitella / toteuttaa / järjestää toisin? Miten? Voivatko (uusi) ydinenergialiiketoiminta ja turvallisuus kulkea käsi kädessä (perustele)?
Muuta ennen seuraavan periodin alkua Rästitehtävät niitä ansaitseville tänään tai viimeistään huomenna Periodissa IV käsitellään pääasiassa SMR-, GenIV- ja fuusioteknologioita Lopussa on kuitenkin ehkä aikaa muullekin (katsotaan miten käy), esitä toivomus aiheesta! Onko kurssin alkupäässä jotain, jota haluaisit käsiteltävän uudestaan / paremmin? Onko jotain kannaltasi mielenkiintoista jäänyt käsittelemättä nykyisiin laitoksiin liittyen? Pohdiskelutehtävät!