Turvallisuus ja onnettomuudet Tfy-56.4243-10.4.2013 Jaakko Leppänen
2 Sisältö Vakavien reaktorionnettomuuksien ilmiöitä: Jälkilämpö ja polttoaineen ylikuumeneminen Vedyntuotto Sydänsulan vuorovaikutukset Uudelleenkriittisyys Radionuklidien vapautumien Tshernobylin onnettomuus Fukushima Luennolla keskitytään ydinvoimaloiden turvallisuuteen ja onnettomuustilanteiden ilmiöihin kahden vakavan ydinonnettomuuden näkökulmasta. Laitosten turvajärjestelmien periaatteita ja toimintaa käydään läpi ainoastaan soveltuvin osin. Radioaktiivisten päästöjen ympäristöja terveysvaikutukset muodostavat niin suuren kokonaisuuden, että aihepiirin käsittely ei ole mahdollista luennolle varatun ajan puitteissa
3 Reaktoriturvallisuuden haasteet Pääosa ydinvoimalan käytön aikana syntyneestä radioaktiivisuudesta syntyy reaktorin polttoaineeseen, ja esim. jäähdytteen ja rakennemateriaalien aktivoituminen on käytännössä merkityksetöntä polttoaineen aktiivisuusinventaariin verrattuna. Ympäristöpäästöjen kannalta reaktoriturvallisuuden tärkein tavoite on säilyttää polttoaineen eheys kaikissa tilanteissa. Polttoaineen eheyttä uhkaa lähinnä ylikuumeneminen, joka voi olla seurausta riittämättömästä jäähdytyksestä, liian korkeasta tehontuotosta, tai molemmista. Selvästi olennaisin kevytvesireaktoreiden turvallisuuteen vaikuttava tekijä on polttoaineen radioaktiivisuuden tuottama jälkilämpö, joka ei putoa nollaan ketjureaktion sammuttamisen jälkeen. Vakavaan käytönaikaiseen reaktiivisuusonnettomuuteen liittyvä riski saadaan oikealla sydänsuunnittelulla pieneksi (negatiiviset takaisinkytkennät, reaktiivisuuslisäysten rajoittaminen). Muilla reaktorityypeillä (esim. RBMK ja nopeat reaktorit) fissiotehon hallitsematon kasvu käyttöhäiriötilanteissa tai vakavien onnettomuuksien yhteydessä on merkittävä uhka.
4 Polttoaineen jälkilämpö Jälkilämpöteho on peräisin lyhytikäisten fissiotuotteiden (esim. I-134, Cs-138 ja Cs-140) ja aktinidien (esim. U-239 ja Np-239) radioaktiivisesta hajoamisesta. Jälkilämpö nousee käynnistämisen jälkeen nopeasti 6-7% polttoaineen tuottamasta kokonaistehosta, eikä muutu merkittävästi käyttöjakson aikana (lyhytikäisten nuklidien konsentraatioiden saturoituminen). Reaktorin sammuttamisen jälkeen jälkilämpöteho putoaa tunnissa n. prosenttiin kokonaistehosta Viikko sammuttamisen jälkeen teho on edelleen suuruusluokkaa 0.5% kokonaistehosta, minkä jälkeen jäähtyminen kestää pitkään. Polttoaineen jälkilämmöntuotto vaikuttaa turvallisuuteen vielä käytöstä poistamisen jälkeen, aina loppusijoitukseen asti.
5 Polttoaineen ylikuumeneminen Voimakas ylikuumeneminen on tavallisesti seurausta sämmönsiirtokriisistä (DNB ja dryout) ~800 C 800 C Sauvan sisäinen paine nousee ja suojakuoren pullistuminen aiheuttaa paikallisia vaurioita Säätösauvojen AIC-absorbaattori (Ag, In, Cd) sulaa Materiaalien pettäminen etenee vaiheittain 1150 C Boorikarbidi / Fe -eutektinen seos sulaa Mukana myös eksotermisiä reaktioita 1200 C Zirkoniumin voimakas hapettuminen alkaa Eutektiset seokset sulavat puhtaita metalleja matalammassa lämpötilassa 1380 C Booriteräs sulaa Polttoainevaurioita tapahtuu jo paljon ennen varsinaista sulamista 1450 C Ruostumaton teräs ja Inconel (reaktoreissa käytetty nikkeli-kromi -pohjainen metalliseos) sulaa Rakenteiden muodonmuutokset vaikuttavat jäähdytettävyyteen 1760 C Zirkonium-metalli sulaa 2350 C Boorikarbidi sulaa 2600 C U-Zr-O sulan muodostuminen 2700 C Zirkkoniumoksidi sulaa 2850 C Uraanioksidi sulaa Säätösauvojen sulaminen voi vaikuttaa reaktiivisuuteen Polttoainealtaiden ylikuumenemisessa myös hapettumisreaktiot ilmassa (zirkoniumpalo) ovat todennäköisempiä
6 Vedyntuotto onnettomuustilanteissa Tärkein vetyä tuottava prosessi on polttoaineen suojakuoren ja rakennemateriaalien zirkoniumin hapettuminen vesihöyryssä: Zr + 2H2O ZrO2 + 2H2 + 6.5 MJ/kg (Zr) Zirkoniumia on runsaasti paitsi polttoaineen suojakuoressa, myös BWR- ja VVERtyyppisten reaktoripolttoaineiden virtauskanavien seinämissä. Reaktio alkaa olla merkittävä yli 1200 C lämpötiloissa. Eksoterminen reaktio, jonka lämmöntuotto saattaa hetkellisesti ylittää polttoaineen jälkilämmön Vetyä syntyy myös veden radiolyysissä (säteilyn aiheuttama vesimolekyylien hajoaminen), mutta selvästi hapettumisreaktioita hitaammin. Vety-ilma -seos on syttyvää 4-75% vetypitoisuuksilla. Vedynhallintaan käytetään suojarakennuksen typpi-inertointia (BWR) tai polttamista alhaisilla pitoisuuksilla (hehkutulppasytyttimet ja passiiviset katalyyttiset rekombinaattorit). Jos polttoaine ylikuumenee riittävän kuivana, zirkoniumin hapettuminen voi tapahtua myös ilmassa (yli 1000 C), jolloin reaktio on vesihöyryhapettumista agressiivisempi.
7 Polttoaineen sulaminen ja sydänsulan vuorovaikutukset Polttoaineen sulaminen vaatii selvästi suojakuoren hapettumista korkeamman lämpötilan. Polttoainevauriot vaikeuttavat kuitenkin jäähdytystä, ja zirkoniumin hapettumisreaktio lisää lämmöntuottoa. Suuren sydänsulamassan putoaminen veteen voi johtaa höyryräjähdykseen paineastian sisä- tai ulkopuolella. Kyse on monimutkaisesta tapahtumaketjusta, jossa veteen pieniksi pisaroiksi pirstoutuva sula metalli siirtää nopeasti suuren määrän lämpöenergiaa veteen, joka höyrystyy räjähdysmäisesti. Sydänsulan ja veden välinen vuorovaikutus jää lievemmäksi jos sulan valuminen tapahtuu vähitellen (esim. BWR-paineastiassa säätösauvakoneistojen läpivientien kautta). Paineastian puhkeamiseen on varauduttu kunnolla ainoastaan kolmannen sukupolven laitoksissa (esim. EPR). Vanhemmissa reaktoreissa sydänsula voi päästä suojarakennuksen betonilattialle asti, jolloin seurauksena on pääasiassa kemiallisista reaktioista aiheutuva eroosio. Sydänsula voi purkautua paineastiasta myös korkealla paineella, jolloin seurauksena on suojarakennuksen ilmatilan suora kuumennus (Direct Containment Heating, DCH) ja voimakas paineen ja lämpötilan nousu suojarakennuksen sisällä.
8 Uudelleenkriittisyys Painevesireaktoreissa sydämen ylijäämäreaktiivisuus voi käyttöjakson alussa olla niin suuri, että puhtaan kylmän veden syöttö sydämeen saattaa joissain tilanteissa käynnistää ketjureaktion uudestaan, vaikka kaikki säätösauvat olisivat sisällä. Säätösauvojen materiaalit sulavat polttoainetta alhaisemmassa lämpötilassa, ja hätäjäähdytysveden syöttö ennen polttoaineen merkittävää sulamista saattaa laukaista uudelleenkriittisyyden. Paineastian pohjalle valuneen sydänsulan on huomattavasti vaikeampi muodostaa kriittistä geometriaa, mutta sulan massan valahtaminen voi aiheuttaa veden kuohahtamisen ja kriittisen tehopulssin sydämen ehjässä osassa. Käytetyn polttoaineen altaiden alikriittisyys on tavallisesti varmistettu geometrialla, joka voi kuitenkin muuttua jos polttoaine tai rakenteet pääsevät vaurioitumaan. Kerkeä kriittisyys johtaa voimakkaaseen tehopulssiin, joka saattaa rikkoa polttoainetta ja kehittää runsaasti höyryä (Tshernobyl). Systeemi voi myös jäädä tasapainotilaan matalammalle teholle (Tokai-Mura). Uudelleenkriittisyyttä on tutkittu paljon erityisesti TMI:n onnettomuuden yhteydessä, ja vallitseva käsitys on että sitä ei tapahtunut, kuten ei myöskään Fukushimassa (Tshernobylissä mahdollisesti kyllä).
9 Radionuklidien vapautuminen Polttoaineen suojakuoren vaurioituminen vapauttaa välittömästi kaasumaiset fissiotuotteet sauvan kaasutilasta. Vapautuminen polttoaineen sisältä tapahtuu hitaammin diffuusiolla. Vapautumisen nopeus riippuu polttoaineen lämpötilasta ja vaurioitumisen asteesta. Polttoaineen sulaminen nopeuttaa radioaktiivisuuden vapautumista merkittävästi. Helpoimmin vapautuvia aineita ovat jalokaasut ja matalassa lämpötilassa kaasuuntuvat fissiotuotteet. Kaasuuntumislämpötiloja: jodi (yhdisteenä n. 240ºC), cesium (yhdisteenä 1300ºC) ja telluuri (1300ºC). Korkeammassa lämpötilassa vapautuvia fissiotuotteita ovat mm. barium (yhdisteenä n. 3000ºC), ruteeni (n. 4400ºC), strontium (yhdisteenä n. 3500ºC) ja lantaani (yhdisteenä n. 4300ºC). Kaasuuntuneet fissiotuotteet muodostavat jäähtyessään aerosoleja, jotka kulkeutuvat veden, ilman ja höyryn mukana. Pahasti vaurioituneesta polttoaineesta voi irrota mekaanisesti myös karkeampia hiukkasia, joiden mukana vapautuu myös aktinideja (esim. plutonium).
10 Tshernobylin ydinvoimalaonnettomuus 26.4.1986 Neuvostoliitton Ukrainassa, n. 100 km Kiovasta pohjoiseen, tapahtui huhtikuussa 1986 historian pahin ydinvoimalaonnettomuus. Tshernobylin ydinvoimalaitoksen nelosyksikön reaktori tuhoutui laitoksella tehdyn turvallisuuskokeen yhteydessä räjähdysmäisesti, ja paloi soihtuna 10 päivää, levittäen radioaktiivisuutta ympäri lähialueita ja Eurooppaa. Onnettomuudessa kuoli 31 ihmistä, ja tilannetta seuranneeseen puhdistus- ja siivousoperaatioon osallistuneet lähes miljoona sotilasta ja pelastustyöntekijää saivat eri asteisia säteilyannoksia. Onnettomuuden pitkäaikaisvaikutuksista kiistellään edelleen.
11 RBMK-1000 Tshernobylin onnettomuusreaktori oli tyypiltään kanavatyyppinen grafiittimoderoitu kevytvesireaktori (RBMK). Reaktorissa ei ole varsinaista paineastiaa, vaan polttoaine ladataan pystysuoriin paineputkiin, joiden läpi jäähdytysvesi virtaa. Putket kulkevat massiivisen neutronimoderaattorina toimivan grafiittiblokin (~1700 tonnia) läpi. Jäähdytysvesi kiehuu sydämessä ja höyry erotetaan vesifaasista sydämen yläpuolisissa höyryrummuissa. Reaktorissa on 2 erillistä jäähdytyspiiriä (sydämen puolikkaat) ja 2 turbiinia. Kummassakin piiriissä on 4 pääkiertopumppua, joista 3 on käytössä ja 1 varalla Bubbler pool -tyyppinen lauhdutussuojarakennus (jäähdytyspiiri jaettu erillisiin osiin, joista on puhallusputket lauhdutusaltaaseen).
RBMK-1000 Sydämen koko: n. 14 x 8 m Teho 3200 MWt / 1000 MWe 1639 polttoainekanavaa (paineputket) Polttoaineen väkevöinti n. 2% U-235 Jatkuva polttoainelataus Reaktorin tehoajo vaatii paljon aktiivista säätöä: 139 manuaalista säätösauvaa 12 automaattista säätösauvaa 24 pikasulkusauvaa 24 alapuolista lyhyttä sauvaa 240 kiinteää absorbaattoria Yläpuolelta työnnettävissä säätösauvoissa absorbaattoriosan jatkeena grafiittiseuraaja, jonka tarkoitus on lisätä sauvan reaktiivisuusarvoa. 12
13 Onnettomuuden kannalta olennaisia RBMK-reaktorin ominaispiirteitä RBMK:n pääasiallinen neutronimoderaattori on grafiitti. Vesi toimii jäähdytteenä, eikä sitä kevytvesireaktorin tapaan tarvita ketjureaktion ylläpitämiseen. Sydän on ylimoderoitu, eli jäähdytteen kiehuminen lisää reaktiivisuutta (positiivinen aukkoosuuskerroin). Positiivisen reaktiivisuusreservin on arvioitu olleen 4-5$. Reaktori on epästabiilein matalalla teholla, kun jäähdytteen aukko-osuus on pieni. Turvallisen toiminta-alueen alarajana pidettiin 700 MWt tehoa. Raja oli ilmeisesti operaattoreiden tiedossa, mutta ei kirjattuna viranomais- tai käyttöohjeisiin. Polttoainesauvojen aktiivinen osa on lähes 8 m korkea. Reaktori on altis aksiaalista tehojakaumaa vääristävälle xenon-myrkytykselle. Reaktorin säätösauvat koostuvat absorbaattoriosasta, jonka alapuolelle on kytketty grafiittiseuraaja. Seuraajaosa on vajaamittainen, ja liitosalue suhteellisen pitkä. Kun säätösauva on vedetty yläasentoon, grafiittiseuraajan ylä- ja alapuolelle jää aktiivisen sydämen alueella n. 1.25 m vettä. Kun sauva työnnetään sydämeen, seuraajan alaosa syrjäyttää ensin tieltään reaktiivisuuteen grafiittia vähemmän vaikuttavaa vettä, eli seurauksena on reaktiivisuuden lisäys sydämen alaosaan (nk. positiivinen pikasulku).
14 Onnettomuuten johtanut koejärjestely Onnettomuusketju liittyy reaktorin turvallisuusjärjestelmien testauksen yhteydessä tehtävään kokeeseen, joka oli tarkoitus suorittaa ennen reaktorin alasajoa huoltoseosokkiin. Kokeen tarkoituksena oli testata, riittääkö turbiini-generaattori -systeemin inertia tuottamaan riittävästi sähköä reaktorin jäähdytysjärjestelmille ennen varajärjestelmien käynnistymistä tilanteessa jossa ulkoinen sähköverkko on menetetty ja reaktori ajetaan pikasulkuun. Koe oli tarkoitus suorittaa 30% teholta toisella reaktorin kahdesta turbiinista, hätäjäähdytysjärjestelmien automatiikka pois kytkettynä. Kahdeksasta pääkiertopumpusta 4 kytkettynä alasajettavaan turbiiniin ja 4 ulkoiseen sähkönsyöttöön. Vaikka kokeella oli merkittävä rooli tapahtumien kulussa, se ei yleisestä käsityksestä poiketen ollut onnettomuuden varsinainen syy. Koe nähtiin kuitenkin lähinnä reaktorin sähköjärjestelmien testauksena, eikä sen suorittajilla ollut alun perinkään riittävää tietämystä kokeen reaktorifysikaalisesta puolesta ja siihen liittyvistä riskeistä.
15 Onnettomuusketju Perjantai 25.4.1986 01:00 Reaktorin alasajo täydeltä teholta koeohjelman edellyttämälle 30% teholle alkaa. 13:05 Teho 50%, kokeen valmistelu jatkuu: toinen reaktorin turbiineista ajetaan alas ja hätäjäähdytysjärjestelmän (ECI) automatiikka kytketään pois käytöstä. Myös osa reaktorin pääkiertopumpuista ajetaan alas. Sähköverkon operaattorilta tulee käsky jatkaa tehoajoa 23:00 asti. Koeohjelma keskeytetään ja tehoajoa jatketaan 50% teholla. Päivävuoro, jonka oli alun perin tarkoitus suorittaa koe, on vaihtunut iltavuoroon. Reaktorin tehojakaumaan vaikuttava xenon-myrkyttyminen alkaa. 23:10 Tehon laskeminen jatkuu, tavoitteena 700-1000 MWt tehotaso (20-30%). Lauantai 26.4.1986 00:05 Reaktori 720 MWt teholla. Turvallisena pidetyn toiminta-alueen alaraja. Iltavuoro on vaihtunut yövuoroon, jonka oli alun perin tarkoitus ainoastaan vahtia kokeen jälkeen alasajetun reaktorin jäähtymistä.
16 Onnettomuusketju 00:28 Reaktorin automaattisessa tehonsäädössä vaihdetaan järjestelmää. Fissioteho sammuu, ja tehontuotto putoaa jälkilämmön (n. 30 MWt) tasolle. Syy on ilmeisesti reaktorin xenonmyrkyttyminen ja jäähdytteen aukko-osuuden positiivinen reaktiivisuustakaisinkytkentä (jäähtyminen pienentää reaktiivisuutta). Syyksi on myös epäilty operaattorin tekemää säätövirhettä ja järjestelmävikaa. Reaktoria aletaan nostamaan uudestaan teholle. Suurin osa säätösauvoista joudutaan vetämään kokonaan ylös. Säätösauvarakenteesta (polttoainetta lyhyempi grafiittiosa) johtuen grafiittiseuraajan alapuolelle jää 1.25 metriä vettä. 00:36 Höyryrummun vedenpinnankorkeudesta laukeava pikasulkusignaali kytketään pois päältä (ei suurta merkitystä onnettomuuden kannalta). 00:43 Turbiinien pikasulkusignaalit kytketään pois päältä jotta koe voidaan aloittaa (tätä pidettiin aikaisemmin viimeisenä virheenä, mutta toimenpiteen merkitys on myöhemmin osoittautunut vähäiseksi) 01:03 Reaktorin teho saadaan nousemaan 200 MWt tasolle. Sammutettuja pääkiertopumppuja kytketään koeohjelman mukaisesti päälle. Veden virtaus sydämeen kasvaa, mikä pienentää jäähdytteen aukko-osuutta ja laskee reaktiivisuutta (positiivinen takaisinkytkentä). Lisää säätösauvoja joudutaan vetämään ulos.
17 Onnettomuusketju 01:23:04 Koe päätetään aloittaa 200 MWt teholta. Jäähdytysvirtaus sydämeen on suuri ja sydämen aukko-osuus vastaavasti pieni. Reaktori on neutroniikan osalta erittäin epästabiilissa tilassa. Koe aloitetaan turbiinin pikasululla. Generaattorin varassa olevat neljä pääkiertopumppua alkavat hidastua. Loput neljä pumppua saavat sähkönsä verkosta. Jäähdytysveden virtauksen pieneneminen kasvattaa aukko-osuutta sydämessä, mikä positiivisen takaisinkytkennän kautta kasvattaa reaktiivisuutta. Reaktorin teho lähtee nousuun. 01:23:40 Operaattori laukaisee reaktorin pikasulun. Reaktorin teho on piikkittnyt xenon-myrkytyksen takia 8 metriä korkean sydämen alaosaan. Säätösauvan liike työntää 1.25 metriä sydämen alareunan yläpuolella olevan grafittiseuraajan korkean tehon alueelle. Absorbaattoriosa työntyy sydämeen 8 metriä ylempänä, eikä sillä ole vaikutusta sydämen alaosan reaktiivisuuteen. 01:23:43 Reaktorin teho on noussut kolmessa sekunnissa 530 MWt tasolle, eli yli kaksinkertaiseksi. Säätösauvojen liike ja positiivinen aukkokerroin kasvattavat jatkuvasti reaktiivisuutta. n. 01:24 Sydän saavuttaa lopulta kerkeän kriittisyyden, minkä jälkeen tehon kasvu etenee räjähdysmäisesti. Polttoaineen nopea negatiivinen Doppler-takaisinkytkentä ei riitä kumoamaan positiivisen pikasulun ja aukko-osuuskertoimen tuomaa lisäreaktiivisuutta. Viimeinen mitattu lukema näyttää 33 GWt. Tehopiikki katkeaa polttoaineen sulamiseen ja massiiviseen höyryräjähdykseen.
18 Reaktorin räjähdys Reaktorin tehon arvellaan nouseen hetkellisesti jopa 1.3 terawattiin (400 kertaa normaali käyttöteho). 30% polttoaineesta tuhoutui välittömästi, ja työntyi sydämen alapuolella olevaan tilaan. Ensimmäistä höyryräjähdystä seurasi toinen, todennäköisesti suojakuoren hapettumisessa ja veden ja grafiitin välisessä reaktiossa kehittyneen vedyn räjähdys.1 Ensimmäisen räjähdyksen voima nosti reaktorin yläpuolisen, 1000 tonnia painavan biologisen suojan poikittain reaktorin päälle ja puhkaisi reiän reaktorirakennuksen kattoon. Toinen räjähdys levitti reaktorin sisäosia rakennuksen katolle ja lähiympäristöön. Reaktoriin jäänyt kuuma grafiitti syttyi palamaan. Pienempiä tulipaloja syttyi ympäri laitosaluetta. 1) Tästä on olemassa erilaisia näkemyksiä. Wikipedian mukaan ensimmäinen räjähdys oli seurausta höyryn kehittämästä paineesta (huom. ei varsinainen höyryräjähdys), ja toinen karanneesta fissiotehosta. Kyse on kuitenkin todennäköisesti artikkelin kirjoittajan omasta tulkinnasta.
19 Onnettomuutta välittömästi seuranneet toimenpiteet Jalokaasut ja kaasumaiset fissiotuotteet vapautuivat välittömästi, ja kulkeutuivat tuulen mukana luoteeseen. Räjähdys ja sitä seurannut tulipalo nostivat ilmaan höyryä, radioaktiivista pölyä ja sydämen kappaleita, joista suurin osa putosi laitoksen lähiympäristöön. Reaktoriin jäänyt polttoaine jatkoi ylikuumenemistaan, ja suli lopulta reaktoriastian pohjan läpi. Ensimmäinen palokuntayksikkö oli paikalla alle viidessä minuutissa räjähdyksestä, ja klo 4:00 mennessä paikalla oli 250 palomiestä. Pienemmät palopesäkkeet saatiin sammutettua aamuun mennessä. Reaktorin räjähdyksessä kuoli välittömästi yksi työntekijä, toinen kuoli sydänkohtaukseen ja kolmas myöhemmin palovammoihin.
20
21 Grafiittipalon sammuttaminen Onnettomuusreaktorin grafiittipaloa yritettiin ensin sammuttaa pumppaamalla sydämeen vettä reatktorin hätäjäähdytysjärjestelmillä. Vesi ei kuitenkaan päätynyt pahasti vauroituneeseen reaktoriastiaan. Maanantaina 28.4. aloitettiin massiivinen sammutusoperaatio, jonka aikana reaktoriin pudotettiin helikopterista käsin 40 tonnia boorikarbidia, 2400 tonnia lyijyä, 1800 tonnia hiekkaa ja 800 tonnia dolomiittia. Operaatio vaati 1800 helikopterilentoa, joiden aikana lentäjät saivat suuria säteilyannoksia, ja ainakin yksi helikopteri miehistöineen tuhoutui törmätessään nosturiin. Maanantaina 5.5. reaktoria alettiin jäähdyttämään typpiruiskutuksella, ja grafiittipalo saatin lopulta sammumaan perjantaina 9.5.
Reaktoriin jääneen polttoaineen sulaminen Reaktoriin jäänyt polttoaine suli, ja päätyi ilmeisesti alemman biologisen suojan päälle. Rakennelman alapuolella sijaitsee suojarakennustoiminnon virkaa tekevä lauhdutusallas, ja sydänsulan päätyminen veteen muodosti merkittävän höyryräjähdyksen riskin. Lauhdutusallas päätettiin tyhjentää vedestä, mikä edellytti patoluukkujen avaamista manuaalisesti altaasta käsin. Kaksi kolmesta tehtävää suorittamaan lähteneestä sukeltajasta kuoli myöhemmin säteilysairauteen. Altaan korkea-aktiivinen vesi pumpattiin pois, ja allasta vahvistettiin valamalla se täyteen betonia. Sydänsula puhkaisi alemman biologisen suojan n. viikko onnettomuuden alkamisen jälkeen, ja ilmeisesti pysähtyi lauhdutusaltaaseen valetun betonin päälle Onnettomuuden tästä vaiheesta on liikkeellä paljon ristiriitaista tietoa. Höyryräjähdysriskin yhteydessä kuulee joskus puhuttavan 3-5 megatonnin (!) räjähdysvoimasta, joka olisi tuhonnut puoli Eurooppaa. Kyse lienee kutenkin käännösvirheestä tai muusta väärinkäsityksestä. Reaktorirakennuksen alle suunniteltiin tai jopa alettiin kaivamaan tunnelia, tarkoituksena jäädyttää alla oleva maa nestetypellä. Tätä toimenpidettä ei ilmeisesti koskaan toteutettu. 22
Jälkien siivoaminen Annosnopeudet reaktorirakennuksen sisällä olivat jopa satoja Sv/h, ja rakennuksen katolla ja reaktorista peräisin olevan materiaalin läheisyydessäkin tappavia. Onnettomuuden jälkien siivoamiseen osallistui palomiesten ja laitoshenkilökunnan lisäksi lopulta arviolta 600,000-800,000 sotilasta ja muuta enemmän tai vähemmän vapaaehtoista Neuvostoaktiivia. Suurimman säteilyannoksen saivat ensimmäisen päivän pelastustoimiin osallistuneet n. 1000 ihmistä, joista 237 sairastui akuuttiin säteilysairauteen ja 28 kuoli. 200,000 puhdistustoimiin osallistunutta likvidaattoria sai keskimäärin 100 msv:n säteilyannoksen, ja 20,000 yli 250 msv:n annoksen. 23
24 Vaikutukset lähialueilla Radioaktiiviset päästöt tapahtuivat pääosin grafiittipalon aikana, 10 päivän sisällä reaktorin räjähdyksestä. Ensimmäinen päästöpilvi laskeutui metsään, muutaman kilometrin päähän voimalaitoksesta. Säteily oli niin voimakasta että puiden neulaset kuolivat. Paikkaa alettiin myöhemmin kutsumaan punaiseksi metsäksi. Puhdistusoperaation aikana metsä kaadettiin ja puut haudattiin maahan. Laitoksen työntekijöille 70-luvulla rakennettu, n. 50,000 asukkaan Pripjat sijaitsee 3 km päässä onnettomuusreaktorista. Vanhempaan, n. 13,000 asukkaan Tshernobyliin on matkaa 15 km. Onnettomuuden tapahtuessa 30 km kilometrin säteellä asui vajaa 135,000 ihmistä. Asukkaiden evakuointi aloitettiin Pripjatissa reaktorin räjähdystä seuranneena päivänä 27.4. Loput asukkaat 30 km säteeltä evakuoitiin kahden viikon kuluessa.
Päästöt ja radioaktiivinen laskeuma Reaktorin sydämessä oli onnettomuushetkellä 192 tonnia polttoainetta Arviot eri nuklidien vapautumisasteesta ja kokonaispäästön suuruudesta vaihtelevat huomattavasti. NEA:n raportissa esitettyjä lukuja: Nuklidi T1/2 Päästö Vapautumisaste Xe-133 5.2 d 6.5E+18 Bq 100% I-131 8.0 d 1.8E+18 Bq 50-60% Cs-134 2.0 a 5.4E+16 Bq 20-40% Cs-137 30 a 8.5E+16 Bq 20-40% Te-132 78 h 1.2E+18 Bq 25-60% Sr-90 28 a 1.0E+16 Bq 4-6% 25
26 Päästöt ja radioaktiivinen laskeuma Pääosa radioaktiivisesta laskeumasta päätyi muutaman sadan kilometrin säteelle Venäjälle, Valko-Venäjälle ja Ukrainaan. Neuvostoliiton ulkopuolella laskeuma havaittiin ensin Ruotsissa, Forsmarkin ydinvoimalaitoksella sunnuntaina 27.4. Suomeen laskeuma saapui itämerelle muodostunutta korkeapaineen aluetta kiertäneiden ilmavirtausten kuljettamana pääosin lännestä, ja kohonneita pitoisuuksia alettiin rekisteröimään maanantain aikana. Korkein suomessa mitattu annosnopeus oli Pirkanmaalla 28.4., suuruusluokkaa 5 μsv/h (normaali taustasäteily 0.07-0.2 μsv/h). Suurimmat mitatut Cs-137 -aktiivisuudet olivat luokkaa 100 kbq/m2. Jodi-131 -aktiivisuutta ei ilmeisesti mitattu.
27 Onnettomuuden terveydelliset vaikutukset Tshernobylin onnettomuuden vaikutus laskeuma-alueen ihmisten terveyteen on ollut kiistanalainen aihe alusta alkaen. Arviointia ovat vaikeuttaneet mm. seuraavat tekijät: 1) Huomattavat epävarmuudet päästön suuruudessa ja pahimmin altistuneiden, pelastus- ja puhdistustoimintaan osallistuneiden ihmisten säteilyannoksissa. 2) Puuttuvat tilastot laskeuma-alueen ihmisten normaalista terveydentilasta. 3) Säteilyn syöpävaikutusten arviointiin käytettäviin (lineaarisiin) laskentamalleihin liittyvät epävarmuudet. 4) Säteilyannoksen aiheuttamien epäsuorien fysiologisten ja psykologisten vaikutusten osoittaminen on käytännössä mahdotonta. Edes arviot laskeuma-alueella asuvien ihmisten ja puhdistustöihin osallistuneiden sotilaiden lukumääristä eivät vaikuta kovin tarkoilta (lähteestä riippuen likvidaattoreita sanotaan olleen 600,000-1,000,000).
28 Onnettomuuden terveydelliset vaikutukset Seurauksia joista ollaan suhteellisen varmoja: 1) Onnettomuuden ensimmäisten päivien aikana 499 ihmistä otettiin suuren säteilynannoksen takia tarkkailuun, ja 237:llä diagnosoitiin akuutti säteilysairaus. 2) Tappavaksi luokiteltavan säteilyannoksen (yli 6 Sv) sai 21 ihmistä, joista 20 kuoli. Suurin arvioitu annos oli 16 Sv. Pienemmälle, 2-6 Sv annokselle altistui 76 ihmistä, joista 8 kuoli. 3) Akuutteja säteilysairauden oireita saaneiden työntekijöiden myöhempi terveydentila on ollut heikko, vaikka suoraa yhteyttä säteilyannokseen ei ole pystytty osoittamaan. 4) Lasten kilpirauhassyöpä yleistyi selvästi laskeuma-alueella onnettomuuden jälkeen aina 90-luvulle asti. Diagnosoitujen tapausten lukumäärästä on olemassa monenlaisia arvioita, mutta tilastollisesta merkitsevyydestä ollaan yhtä mieltä. Onnettomuuden terveysvaikutuksista puhuttaessa on muistettava että syöpäkuolema ei ole ainoa vakava seuraus, ja myös epäsuorat sosiologiset ja psykologiset vaikutukset tulee ottaa huomioon.
29 Onnettomuuden terveydelliset vaikutukset Onnettomuuden pitkäaikaisvaikutuksista on olemassa hyvin erilaisia arvoita, enkä lähde tässä nostamaan yhtä näkemystä muiden edelle. Aiheeseen liittyviä linkkejä: OECD/NEA:n raportti: Chernobyl: Assessment of Radiological and Health Impacts 2002 Update of Chernobyl: Ten Years On www.oecd-nea.org/html/rp/reports/2003/nea3508-chernobyl.pdf WHO:n raportti: Health Effects of the Chernobyl Accident and Special Health Care Programmes whqlibdoc.who.int/publications/2006/9241594179_eng.pdf YK:n alaisen UNSCEARin Tshernobyl sivu (useita raportteja): www.unscear.org/unscear/en/chernobyl.html Saksan ympäristöpuolueen teettämä raportti: The Other Report on Chernobyl (TORCH) www.chernobylreport.org/torch.pdf
30 Onnettomuuden jälkeen Onnettomuusreaktorin ympärille rakennettiin vuoden 1986 marraskuuhun mennessä sarkofagiksi nimetty improvisoitu betonisuoja. Sarkofagi suunniteltiin alun perin 20-30 vuoden käyttöiälle, lähinnä suojamaan reaktoria lisävaurioilta ja ympäristöä säteilyltä. Rakennelma ei ole kaasu- tai vesitiivis, eikä sitä pidetä erityisen stabiilina. Pysyvämmästä ratkaisusta on tehty suunnitelmia Puhdistusoperaatio jätti jälkeensä valtavan määrän radioaktiivista romua, jota on haudattu ympäri suljettua aluetta. Neljä vuotta onnettomuuden jälkeen sarkofagin sisään asennetut neutroni-ilmaisimet mittasivat kohonneita arvoja, mikä viittaa siihen että polttoaine oli päässyt uudelleenkriittiseksi, tai ainakin lähelle sitä. Tasot saatiin palautettua normaaliksi lisäämällä absorbaattoria.
31
32 Yhteeveto onnettomuuteen johtaneista tekijöistä 1) Reaktorin alasajon keskeytyminen 50% teholle 10 tunnin ajaksi johti sydämen xenonmyrkyttymiseen ja fissiotehon piikittymiseen 8 metriä korkean sydämen alaosaan. 2) Tehon pudottua nollaan, reaktoria yritettiin nostaa väkisin uudestaan teholle vetämällä lähes kaikki säätösauvat ulos. Reaktori saatiin vakiintumaan matalalle teholle ja tilaan, joka oli jäähdytteen suuren virtauksen, pienen aukko-osuuden ja positiivisen reaktiivisuuskertoimen vuoksi erittäin epästabiili. 3) Sydämen korkeuden, säätösauvarakenteen ja alapäähän painottuneen tehojakauman johdosta reaktorin pikasulku johti positiiviseen reaktiivisuuslisäykseen, mikä vei reaktorin lopulta kerkeästi kriittiselle alueelle. 4) Kerkeän kriittisyyden mahdollisti jäähdytteen positiivisesta aukko-osuuskertoimesta aiheutunut rajoittamaton reaktiivisuuden kasvu, joka riitti kumoamaan nopean negatiivisen Doppler-takaisinkytkennän vaikutuksen. 5) Koetta pidettiin sähköjärjestelmien testauksena, jonka reaktorifysikaalista ulottuvuutta ei kunnolla ymmärretty, ja sen suoritti työvuoro, joka ei ollut tehtävään valmistautunut.
33 RBMK-reaktoreihin tehdyt muutokset RBMK-reaktoreita on 2 tyyppiä (RBMK-1000 ja RBMK-1500) ja 3 sukupolvea (Tshernobylin reaktorit 2. sukupolvea) Nykyisin käytössä olevat laitokset: Leningrad: 4 x RBMK-1000, Smolensk: 3 x RBMK-1000, Kursk: 4 x RBMK-1000 (+ 1 rakenteilla). Tshernobylin onnettomuuden aikaan käytössä oli lisäksi: Ignalina: 2 x RBMK-1500 (viimeinen reaktori suljettu 2009), Tshernobyl: 4 x RBMK-1000 (viimeinen reaktori suljettu 2000) Onnettomuuden jälkeen tehtyjä parannuksia: Sydämen kiinteät lisäabsorbaattorit Reaktiivisuusmarginaalin kasvattaminen Väkevöinnin nostaminen ja palava absorbaattori Ignalinassa saatiin em. muutoksilla aukko-osuuskerroin pudotettua: +3.3 < +1.0 $ Säätösauvojen rakenteen muuttaminen (ei positiivista pikasulkua ) Nopeammat säätösauvakoneistot ja parannettu automatiikka
34 Fukushiman ydinonnettomuus 11.3.2011 Japanissa tapahtui perjantaina 11.3.2011 yksi maan historian voimakkaimmista maanjäristyksistä, jonka keskus sijaitsi n. 70 km pääsaaren rannikolta itään. Järistyksen nostama, yli kymmenen metrin korkuinen tsunamiaalto iski pahimmin n. 200 km Tokion pohjoispuolella sijaitsevaan Fukushiman ydinvoimalaan, joka menetti ulkoisen sähköverkon, neljän laitosyksikön varavoimageneraattorit ja akkusähköt. Vaihto- ja tasasähkön menetys johti kolmella laitosyksiköllä tapahtumaketjuihin, joiden seurauksena polttoaineen jäähdytys menetettiin. Onnettomuuden varsinaisista syistä ja seurauksista tullaan keskustelemaan vielä pitkään.
35 Maanjäristys ja sitä seurannut tsunami Maanjäristys tapahtui perjantaina 11.3.2011, klo 14:45 paikallista aikaa. Järistys kesti 5 minuuttia, ja sen voimakkuudeksi mitattiin 9.0 Richterin asteikolla. Järistys laukaisi automaattisen pikasulun neljän ydinvoimalan (Fukushima Daiichi & Daini, Onagawa ja Tokai) 11 reaktorissa. Higashidorin laitoksen ainoa reaktori oli huoltoseisokissa. Järistys katkaisi ulkoisen sähkönsyötön Fukushima Daiichin, Tokain ja Higashidorin laitoksilla, jotka jäivät vaihtosähkön osalta diesel-generaattoreiden varaan. Muuten reaktorit säilyvät vailla merkittäviä vaurioita. Mannerlaattojen pystysuoran liikahdus aiheutti kaksi tsunamiaaltoa, jotka iskivät Fukushima Daiichiin 41 ja 51 minuuttia myöhemmin.
Maanjäristys ja sitä seurannut tsunami 36
Maanjäristys ja sitä seurannut tsunami 37
38 Maanjäristys ja sitä seurannut tsunami Aalto ylittää 5,7 m korkean aallonmurtajan Dieselpolttoainesäiliöt jäävät aallon alle 10 m korkeudella merenpinnasta oleva nelosyksikkö jää tulvan alle. Lähde: Riku Mattilan (STUK) Fukushima-kalvot
Maanjäristys ja sitä seurannut tsunami Fukushima Daichin laitosyksiköillä suunnitteluperusteena 5.7 metrinen tsunami Merivesipumput ja turbiinihallit 10 m korkeudella merenpinnasta Dieselgeneraattorit turbiinihallien päädyissä, polttoainesäiliöt ulkona Akustot ja kytkinlaitokset kellaritiloissa ja alakerroksissa maanjäristyssyistä Fukushima Dainiin iskenyt aalto oli matalampi, ja laitos paremmin suojattu (ei myöskään ulkoisen sähköverkon menetystä) Onagawan laitos oli suojattu 14.8 m tsunamia vastaan, eikä laitoksella tapahtunut merkittävää tulvimista Lähde: Riku Mattilan (STUK) Fukushima-kalvot 39
40 Fukushima Daiichin ydinvoimalaitos Fukushima Daiichi - 1 Fukushima Daiichi - 2 Fukushima Daiichi - 3 Fukushima Daiichi - 4 Käyttöönottovuosi 1971 1974 1976 1978 Rakentaja General Electric General Electric Toshiba Hitachi Tyyppi Teho (MWe / MWt) Suojarakennus GE BWR-3 460 / 1380 Mark I Tila onnettomuushetkellä Reaktori teholla Altaan tuorein polttoaine n. 350 päivää vanhaa Kommentteja Laitos oli määrä sulkea alkuvuodesta 2011, mutta käyttölupaa jatkettiin 10 (?) vuodella GE BWR-4 784 / 2381 Mark I Reaktori teholla Altaan tuorein polttoaine n. 175 päivää vanhaa GE BWR-4 784 / 2381 GE BWR-4 784 / 2381 Mark I Mark I Reaktori teholla Altaan tuorein polttoaine n. 280 (?) päivää vanhaa Huollossa, ei polttoainetta reaktorissa Altaan tuorein polttoaine n. 100 päivää vanhaa 6% reaktorin polttoaineesta on MOX:ia, joka on ladattu reaktoriin syksyllä 2010
GE BWR-3 Mark I -suojarakennus 41
42 Alkutapahtumien välittömät seuraukset Fukushima Daiichin kaikki laitosyksiköt kestivät maanjäristyksen ilman merkittäviä vaurioita. Ulkoinen sähköverkko menetettiin, reaktorit ajettiin pikasulkuun, ja dieselgeneraattorit käynnistyivät normaalisti. Tässä vaiheessa tilanne oli vielä luokiteltavissa käyttöhäiriöksi. Tuntia myöhemmin saapunut hyökyaalto tuhosi merivesipumppaamon, ja yksiköiden 1-4 diesel-generaattorit ja kytkinlaitokset. Tilanne muuttui hetkessä käyttöhäiriöstä laitosten suunnitteluperusteet ylittäväksi tapahtumaksi. Kuutosyksikön ylimääräinen ilmajäähdytteinen diesel-generaattori selvisi tsunamista, mikä pelasti laitosyksiköt 5 ja 6. Akustojen kastuminen pimensi valvomot, instrumentointi ja tieto laitoksen tilasta (esim. reaktoreiden vedenpinnankorkeus ja jäähdytys) menetettiin. Laitosyksiköt 1-4 jäivät sähkönsyötöstä riippumattomien järjestelmien varaan: HPIC, ykkösellä IC, muilla RCIC (kts. seuraava kalvo). Laitoksen hallinnan lisäksi operaattorit menettivät valaistuksen, sekä todennäköisesti myös tietoliikenneyhteydet, komentoketjun, ja tiedon siitä mitä katastrofialueelle jääneille omaisille oli tapahtunut. Myöhemmässä vaiheessa toimintaa hankaloitti myös kohonnyt säteilytaso laitosalueella.
43 Jäähdytysjärjestelmien yleiskuvaus (5) 1) Jälkilämmönpoistojärjestelmä 2) Matalapaineinen reaktorin ruiskutus (1) 3) Korkeapaineinen syöttö reaktoriin (HPIC) 4) Reaktorin eristysjäähdytys (RCIC, 2- ja 3-yksiköt) (4) (3) (2) 5) Eristyslauhdutin (IC, 1-yksikkö) 6) Boorausjärjestelmä (6) Lähde: Riku Mattilan (STUK) Fukushima-kalvot / Matthias Braunin (AREVA NP GmbH) pohjalta
44 Laitosten hätäjäähdytysjärjestelmät Vaihtosähkökäyttöiset järjestelmät (jälkilämmön poisto, matalapaineinen ruiskutus) menetettiin välittömästi. Korkeapaineinen syöttövesijärjestelmä (HPIC) oli tarkoitettu pääasiassa jäähdytteenmenetysonnettomuuksiin, ylläpitämään vedenpinnankorkeutta reaktorissa siihen asti että matalapaineinen ruiskutusjärjestelmä voidaan ottaa käyttöön. Fukushimassa HPIC oli höyrykäyttöinen, mutta vaati toimiakseen akkusähköä. Reaktorin jäähdytys pikasulun jälkeen hoidettiin normaalisti ykkösyksiköllä kahdella eristyslauhduttimella (IC), ja kakkos- ja kolmosyksiköllä höyrykäyttöisellä eristysjäähdytysjärjestelmällä (RCIC). Vastaaviin passiivisiin järjestelmiin törmää Gen-III+ -laitosten turvajärjestelmien yhteydessä. Fukushimassa järjestelmät olivat kuitenkin osa laitoksen normaalia toimintaa, ja vaativat toimiakseen akkusähköä. Mahdollisuus paloveden syöttöön laitoksen ulkopuolelta reaktorin syöttövesi- tai ruiskutusjärjestelmän linjoja pitkin. Monet tapahtumien kulkuun liittyneistä ongelmista olivat seurausta siitä, että ratkaisevia toimintoja ei päästy tekemään akkusähkön menetyksen ja/tai korkean paineen takia (huonosti suunniteltu fail-safe -logiikka). Toiminnoissa jouduttiin myös tasapainottelemaan kahden tavoitteen välillä: veden saanti reaktoriin laitoksen ulkopuolelta vs. suojarakennuksen eheyden säilyttäminen.
Tapahtumien kulku ykkösyksiköllä Maanjäristyksen ja pikasulun jälkeistä tilannetta lähdettiin hoitamaan normaalina ulkoisen sähköverkon menetyksenä. Reaktorin jäähtymistä säädettiin kahdella eristyslauhduttimella. Kun tsunami vei DC-sähköt, eristyslauhduttimien venttiilit jäivät kiinni. Lauhduttimia on tämän jälkeen yritetty käyttää manuaalisesti, mutta niiden toiminnasta ei ole tietoa. Vedenpinta reaktorissa laski polttoaineen yläreunan tasolle n. 3 tunnissa, ja sydän oli paljastunut kokonaan 4.5 tunnin kuluessa. Vedyn kehittyminen ja vakavat sydänvauriot alkoivat 3-4 tunnin kuluessa onnettomuuden alusta. Suojarakennuksen ylipaineistuminen johti vuotoon, joka päästi vetyä ja radioaktiivisuutta reaktorirakennuksen puolelle. Ensimmäinen merkintä kohonneista säteilyarvoista 11.3 klo 21:51, n. 7 tuntia maanjäristyksen jälkeen. Suojarakennuksen painetta lähdettiin laskemaan seuraavana aamuna päästämällä höyryä ulos. 45
Tapahtumien kulku ykkösyksiköllä Ilman kanssa kosketuksiin päässyt vety räjähti 12.3. klo 15:36. Dramaattisuudestaan huolimatta räjähdys ei ollut päästön kannalta merkittävä tapahtuma, vaan radioaktiivisuutta oli päässyt ulos jo vuodon ja suojarakennuksen paineenalennuksen yhteydessä. Reaktoriin saatiin syötettyä merivettä paloautoilla vasta 27 tuntia jäähdytyksen menettämisen jälkeen. Siitä, miten hyvin vesi on päätynyt jäähdyttämään polttoainetta, ei ole tietoa. Onnettomuusanalyysien mukaan polttoaine on sulanut paineastian pohjan läpi ja syövyttänyt 65 cm reaktorikuilun betonilattiaa ennen jähmettymistään. Ykkösyksikön kohtalon ratkaissut tekijä oli se, että eristyslauhduttimia ei saatu DC-sähkön menetyksen jälkeen kunnolla toimimaan, ja tieto reaktorin tilasta menetettiin käytännössä kokonaan. 46
47 Tapahtumien kulku kakkos- ja kolmosyksiköillä Kakkos- ja kolmosyksiköt jäivät sähköjen menetyksen jälkeen höyrytoimisten eristysjäähdytysjärjestelmien (RCIC) varaan (kolmosella lisäksi HPIC). Järjestelmät toimivat useita päiviä, joskaan eivät ilman ongelmia: Venttiilien ohjaamiseen tarvittiin akkusähköä, jota ei ollut jatkuvasti saatavilla. Järjestelmän toiminta edellyttää korkeaa painetta ja lämpötilaeroa reaktorin ja lauhdutusaltaan välillä. Ilman lopullista lämpönielua lauhdutusaltaan lämpötila nousi jatkuvasti, mikä johti lopulta järjestelmien pettämiseen. Ykkösyksikköllä tilanne kehittyi niin nopeasti että reaktoria tuskin olisi ehditty pelastaa ulkoisella merivesisyötöllä, mutta kakkosella ja kolmosella tähän oli hyvin aikaa. Ongelmana oli kuitenkin se, että reaktorin jäähdytys RCIC:llä vaati korkeaa painetta, joka esti ulkoisen syötön. Jäähdytysjärjestelmien petettyä (kolmonen 13.3. klo 02:44, kakkonen 14.3. klo 13:25) kesti useita tunteja että reaktorin paine saatiin niin alas että ulkoinen merivesisyöttö päästiin aloittamaan.
48 Tapahtumien kulku kakkos- ja kolmosyksiköillä Kolmosreaktori jäi 7 tunniksi ilman jäähdytystä. Laitoksella tapahtui vetyräjähdys 14.3. klo 11:01. Ykkösen räjähdyksestä poiketen vety räjähti ilmeisesti suojarakennuksen kupolin yläpuolisessa kuilussa, mikä suuntasi räjähdyksen voiman ylöspäin. Räjähdys tuhosi pumppuja ja putkia joita oli valmisteltu kakkosyksikön jäähdytystä varten, ja vaurioitti suojarakennuksen paineenalennusjärjestelmää. Kakkosreaktori oli ilman jäähdytystä n. 6.5 tuntia. Suojarakennuksen paineenalennus epäonnistui kolmosen räjähdyksen aiheuttamien vaurioden takia, ja suojarakennus puhkesi lauhdutusaltaan reunasta 15.3 n. klo 6:00. Myös kakkos- ja kolmosyksikön polttoaineen uskotaan sulaneen, mutta paineastian vauriot saattavat olla ykkösyksikköä vähäisemmät. Lähteestä riippuen suurimman päästön uskotaan olevan peräisin joko kakkos- (NISA) tai kolmosyksiköltä (IRSN).
49 Polttoainealtaat Reaktoreiden lisäksi laitosyksiköiden käytetyn polttoaineen altaiden jäähdytys menetettiin. Alhaisemman lämmöntuoton takia vedenpinnan laskeminen polttoaineen yläreunan tasalle olisi kestänyt yli viikon. Altaiden maanjäristyksessä tai kolmosen vetyräjähdyksessä kärsimistä vaurioista ei ollut tietoa. Laitosalueella havaittiin 15.3. korkeita säteilytasoja, joiden epäiltiin olevan peräisin kolmosyksikön altaan polttoaineen yläpään paljastumisesta (todellisuudessa kakkosyksikön päästö oli suurempi kuin aluksi kuviteltiin?). Samana päivänä nelosyksiköllä tapahtui vetyräjähdys (samoihin aikoihin kakkosyksikön päästön kanssa), jonka ajateltiin loogisesti aiheutuneen allaspolttoaineen zirkoniumin hapettumisesta. Pelastustoimien päähuomio kääntyi reaktoreista kolmos- ja nelosyksikön polttoainealtaisiin, jonne ruiskutettiin vettä vesitykeillä ja betoniautoilla.
Polttoainealtaat Syy, miksi altaiden kuivumista pidettiin niin vakavana uhkana on se, että altaat sijaitsevat kokonaan suojarakennuksen ulkopuolella, eikä mahdollisen päästön leviämiselle ole mitään esteitä. Zirkonium saattaa myös sopivissa olosuhteissa reagoida ilman kanssa huomattavasti vesihapettumista agressiivisemmin. Suuri päästö laitosalueella olisi johtanut kaikkien pelastustoimien keskeytymiseen, ja tilanteen lopulliseen menettämiseen. (tämä on worst-case -skenaario, jonka mukaan viranomaiset varautuivat Tokion evakuoimiseen). Myöhemmin on kuitenkin selvinnyt että nelosella räjähtänyt vety oli peräisin kolmosen reaktorista, eikä altaiden vedestä tehtyjen mittausten perustella ole syytä olettaa minkään yksikön polttoainealtaan kärsineen merkittäviä vaurioita. 50
Päästöt Radioaktiivinen päästö alkoi ykkösyksiköllä perjantai-iltana 11.3, n. 7 tuntia maanjäristyksen jälkeen. Ykkös- ja kolmosyksikön suojarakennukset pitivät ainakin osittain eheytensä, mikä rajoitti ilmapäästöt niiden osalta pääasiassa paineenalennuspuhalluksiin. Kakkosyksikön suojarakennus petti lauhdutusaltaan kohdalta korkean paineen alla, mikä vapautti kerralla paljon radioaktiivisuutta. Vetyräjähdyksissä ei todennäköisesti vapautunut aktiivisuutta suojarakennusten sisältä, mutta aikaisemmin reaktorirakennusten ilmatilaan päässeitä aineita levisi ympäristöön. Korkeimmat Tokiossa mitatut säteilytasot olivat suuruusluokkaa 0.5 цsv, mikä on n. 1/10 korkeimmasta suomessa mitatusta säteilytasosta Tshernobylin jälkeen. Lapsille asetettu juomaveden I-131 -raja ylittyi hetkellisesti. 51
Päästöt Suojarakennusten läpivientien tiivisteet pettivät ennen pitkää paineen, kuumuuden ja meriveden suolan aiheuttaman korroosion seurauksena, ja valtava määrä korkea-aktiivista vettä pääsi valumaan rakennusten kellaritiloihin. Myöhemmässä vaiheessa pääosa päästöstä tapahtui veden mukana mereen. Vuoden 2011 loppuun mennessä oli arvioitu n. 20,000 työntekijän ja aliurakoitsijan säteilyannokset: 135 henkeä 100 150 msv 23 henkeä 150 200 msv 3 henkeä 200 250 msv 6 henkeä yli 250 msv Suurin annos 678 msv 52
53 Yhteenveto onnettomuuteen johtaneista tekijöistä Maanjäristystä seurannut tsunami tuhosi kerralla laitoksen sähköjärjestelmät, ja muutti hetkessä käyttöhäiriötilanteen suunnitteluperusteet ylittäväksi tapahtumaksi. Ulkoisen tapahtuman merkitystä ei pidä kuitenkaan ylikorostaa, sillä varavoimadieseleitä ratkaisevammaksi tekijäksi muodostui lopulta instrumentoinnin ja tilannekuvan menettäminen, sekä paineenalennuksen huono toteutus. Passiivisten järjestelmien petettyä kesti useita tunteja ennen kuin reaktoreihin saatiin vettä laitoksen ulkopuolelta. Pääosa sydänvaurioista syntyi tänä aikana. Laitosten suojarakennuksia ei oltu mitoitettu kestämään vakavaa reaktorionnettomuutta. Tiiveyden pettäminen johti ykkös- ja kolmosyksiköillä vedyn vuotamiseen reaktorirakennuksen ilmatilaan ja räjähdyksiin. Suojarakennusten läpivientien tiivisteiden pettäminen päästi vettä lopulta reaktori- ja turbiinirakennusten kellariin. Kaikki arviot polttoainevaurioiden laajuudesta ja reaktoreiden nykytilasta perustuvat tietokonesimulaatioihin, joihin liittyy merkittäviä epävarmuuksia. Lopullista tietoa joudutaan odottamaan siihen asti että reaktoreita päästään kuvaamaan kameralla.
54 Erot ja yhtäläisyydet Tshernobyliin Eroja: Onnettomuuden perusmekanismit: Tshernobylissä reaktori tuhoutui räjähdysmäisesti karanneeseen ketjureaktioon, fukushimassa polttoaine suli kun jäähdytys menetettiin. Fukushiman kokonaispäästö on suuruusluokkaa 10-15% Tshernobylistä. Pelastustöiden laajuus: Tshernobylissä onnettomuuden jälkiä oli siivoamassa mahdollisesti jopa miljoona sotilasta ja työntekijää, Fukushimassa ehkä kymmeniä tuhansia. Säteilyannokset: Fukushimassa yli 100 msv:n annoksen on saanut alle 200 henkeä, ja yli 200 msv annoksen 6 henkeä. Tshernobylissä vastaavat luvut olivat 200,000 ja 20,000. Tshernobylissä akuuttiin säteilysairauteen kuoli 28 ihmistä, Fukushimassa säteilysairauden oireita ei todettu kenelläkään. Fukushimassa suurin arvioitu säteilyannos oli 678 msv, Tshernobylissä 16,000 msv.
55 Erot ja yhtäläisyydet Tshernobyliin Yhtäläisyyksiä: Molemmat laitokset edustivat vanhaa laitossuunnittelua ajalta, jolloin ydinvoimalaitosten turvallisuussuunnittelu ei ollut vielä hioutunut lopulliseen muotoonsa (Fukushiman laitokset olivat vielä TMI:n ja Tshernobylin reaktoreita vanhempia) Vakava reaktorionnettomuus (INES 7), joka ylitti laitoksen suunnitteluperusteet. Suuri radioaktiivinen päästö, jonka takia lähialueiden asukkaat jouduttiin evakuoimaan 20-30 km säteeltä. Maan käytölle pysyviä rajoituksia. Molemmissa tapauksissa onnettomuuden syyt voidaan johtaa puutteelliseen turvallisuussuunnitteluun, ongelmiin organisaatiossa, huonoon tuuriin, sekä inhimillisiin virheisiin. Molemmissa tapauksissa laitosten onnettomuusalttius oli etukäteen tiedossa, ja onnettomuudet oltaisiin voitu suhteellisen helposti estää. Fukushiman tapauksessa seurauksia oltaisiin voitu rajoittaa, tai osa reaktoreista pelastaa kokonaan vielä onnettomuuden alkamisen jälkeen. Tapahtumien kulkua ei tulla kaikilta osin koskaan selvittämään, eikä onnettomuuden seurauksista tulla koskaan pääsemään yksimielisyyteen.
Lähdemateriaalia Turvallisuus- ja onnettomuusanalyysit: B. Pershagen. Light Water Reactor Safety. Pergammon Press 1989. J. Jokiniemi et al. Vakavien reaktorionnettomuuksien ilmiöt. VTT Tiedotteita 1628 (1995). Tshernobyl: David Mosley. Reactor Accidents - Institutional Failure in the Nuclear Industry (2nd edition). NEI Special Publications, 2006. Sama netissä: www.neimagazine.com/story.asp?storycode=2035370 RBMK Wikipediassa: en.wikipedia.org/wiki/rbmk Tshernobyl Wikipediassa: en.wikipedia.org/wiki/chernobyl_disaster The Chernobyl Accident: Updating of INSAG-1. IAEA 75-INSAG-7, 1993. www-pub.iaea.org/mtcd/publications/pdf/pub913e_web.pdf WNA:n Tshernobyl-sivu: www.world-nuclear.org/info/chernobyl/inf07.htm NEA:n Tshernobyl-sivu: www.oecd-nea.org/rp/chernobyl/ R. Pabaricys, et al. Overview of safety improvement during RBMK-1500 reactor core lifetime upgrading. Kerntechnik 76 (2011) 5. 56
57 Lähdemateriaalia Fukushima: Wikipediasta löytyy yksityiskohtainen kuvaus tapahtumien kulusta, sekä yli 400 lähdeviitettä: en.wikipedia.org/wiki/fukushima_i_nuclear_accidents (kannattaa kuitenkin noudattaa normaalia Wikipedia-kriittisyyttä) NISA:n www-sivulta löytää paljon ajankohtaisia tilanneraportteja: www.nisa.meti.go.jp/english/index.html American Nuclear Societyn Fukushima-sivu: http://fukushima.ans.org/ WNA:n Fukushima-sivu: www.world-nuclear.org/info/fukushima_accident_inf129.html IRSN:n Fukuhsima, one year later -raportti (löytyy osoitteesta: www.irsn.fr) RDTN.org on verkkopalvelu joka julkaisee eri lähteistä (myös yksityisiltä ihmisiltä) saatua säteilymittausdataa: www.rdtn.org STUK julkaisee säännöllisesti Fukushima-tiedotteita suomeksi: www.stuk.fi/stuk/tiedotteet/