PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016 Prof. Filip Tuomisto Turvallisuus ja onnettomuudet, torstai 4.2.2016
Päivän aiheet Tokai-mura 1999 Forsmark 2006 Aloitetaan Fukushiman 2011 käsittely (lähde: Riku Mattila, STUK)
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
Esimakua: Tokai-mura 1999 Tehdas oli suunniteltu rakenteellisesti turvalliseksi LEU:lle (=Low Enriched Uranium, rikastusaste < 20%) eli lisensioitua toimintatapaa käyttäen ei voinut tapahtua ylikriittisyyttä ko. rikastusasteen materiaalilla Useampana vuonna oli kuitenkin käsitelty vain max 5 % rikastettua kevytvesireaktori-polttoainetta, jolloin jäi paljon turvallisuusmarginaalia. Prosessin nopeuttamiseksi tätä marginaalia oli hyödynnetty luomalla epävirallinen nopeutettu käytäntö (!), joka ohitti prosessia hidastavat bufferi-säiliöt Onnettomuuden tapahtuessa oli kuitenkin käsiteltävänä 19 % rikastettua uraania, joka oli tarkoitettu nopeaan koereaktoriin. Tällöin luotettiin liikaa rakenteelliseen turvallisuuteen - ei tiedostettu eroa Työntekijöitä ei ollut koulutettu niin, että ohjeiden syvällinen merkitys olisi tajuttu Hidasta prosessia nopeutettiin totutusti siirtämällä saostustankkiin ämpärillä polttoainetta oikotietä, vaikka rikastusaste oli korkeampi Kun tankissa oli 40 litraa liuosta, saavutettiin kriittinen massa n. 16 kg U Syntyi ketjureaktio, joka tuotti kovaa gamma- ja neutronisäteilyä
Tokai-mura 1999, jatkoa Märän prosessin vesi toimi hidasteena ja kun vesi kiehui, teho välillä laski Tilanteen ratkaisuapua kysyttiin ympäri maailmaa Tankin ympärillä oli jäähdytysallas, koska siinä tuotettava kemiallinen reaktio oli eksoterminen eli lämpöä tuottava Ketjureaktio saatiin loppumaan 20 h kuluttua, kun tankkia ympäröivä jäähdytysvesiallas pystyttiin rakennettujen säteilysuojien turvin tyhjentämään vedestä, jolloin se ei enää toiminut neutronien heijasteena neutronien vuoto lisääntyi ja reaktiivisuustaso laski alikriittiseksi Kaksi työntekijää kuoli, yksi sai säteilyannoksen 1-5 Sv, 84 työntekijää max 23 msv, 161 ulkopuolista naapuruston asukasta evakuoitiin, heillä maksimiannos 21 msv Päästöt jäivät pieniksi, koska radioaktiiviset aineet pysyivät pääosin tankissa Ulkopuolisten annokset kertyivät säteilysuojaamattomasta rakennuksesta lähteneestä fissioiden suorasta gamma- ja neutronisäteilystä
Forsmark 2006 Vain INES 2: Ei päästöjä eikä laitoksen sisäistä radioaktiivisuuden leviämistä, reaktorin sydän ei vahingoittunut, mutta turvallisuusjärjestelmät eivät olleet käyttökunnossa
Forsmarkin voimalaitosalue
Oikosulku kahden vaiheen välillä kytkinkentällä jännitehäiriö laitokseen
Ulkoisen sähkön menetys 22 min ajan, sydämen pinta laski, vain puolet dieseleistä käynnistyi ihme, että nekään
Syyt Puutteelliset työtavat kytkinkentällä johtivat alkutapahtumaan, lisäksi: Yhteisvika (Common Cause Failure,CCF) UPSyksiköissä (Uninterruptible battery supported Power System) suunnitteluvirhe, muutettu alkuperäisestä Yhteisvika (CCF) generaattoreiden suojauksessa asennusvirhe Hätädieselgeneraattoreiden käynnistäminen suunniteltu huonosti (riippuvainen niiden itsensä tuottamasta virrasta)
Valvomo Valtavasti hälytyksiä Kaksi divisioonaa neljästä (A ja B) pimeinä, joten informaatiota puuttui. Siksi turvallisuusjärjestelmäautomatiikka mm. käynnisti hätäjäähdytyksen (siitä seurasi paineastialle kylmäshokki, minkä takia oli laskettava sen luvitus uudelleen) Valvomohenkilökunta käytti kirjallisia ohjeita tilanteen selvittämiseen, toimi oikein ja esimerkillisesti, oli harjoitellut tämän tyyppisiä tilanteita täyden mittakaavan simulaattorilla Sai palautettua yhteyden sähköverkkoon 22 minuutissa
Seurauksia UPS-valvonta muutettu ja testattu Taajuussuojauskytkimet korjattu Sähkönsyöttö dieselkäynnistykseen korjattu tulemaan DC-akuilta. AC-UPS:ien dieselriippuvuus poistettu 400 kv kytkinkentän toiminta tarkistettu Parannuksia kaasuturbiineihin Parannuksia valvomonäyttöihin Korjauksia valvomo-ohjeisiin mm. kaikkien kytkimien ja näyttöjen tarkistus
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? Turpiinikäyttöiset 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. Turpiinin läpi virrannut höyry kuumensi lauhdutusaltaan pienen vesitilavuuden kiehumispisteeseen, ja turpiineilta 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.
Jatkuu ensi kerralla
Kotitehtävä maanantaiksi 8.2. Lue luku 6 (Kokemukset onnettomuuksista ja poikkeuksellisista tapahtumista ydinlaitoksilla, sivut 206 265) Ydinturvallisuus kirjasta (Karisto Oy, 2004) Vastaa seuraaviin kysymyksiin (mycourses): Miten turvallisuutta heikentäneet tapahtumat on luokiteltu INESasteikolla? Anna esimerkki tällaisesta tapahtumasta Miten onnettomuudet on luokiteltu INES-asteikolla? Anna esimerkki onnettomuudesta Mitä yhteistä on ydinenergian käytön historian aikana sattuneilla onnettomuuksilla ja muilla tapahtumilla, ml. Suomessa? Mitä eroja on ydinenergian käytön historian aikana sattuneilla onnettomuuksilla ja muilla tapahtumilla, ml. Suomessa?