Znanost ČINJENICE, NE SENZACIJA

Zašto se ne trebamo bojati 'japanskog Černobila'?

  • Autor: NJD
  • 14.3.2011 14:26:53
  • 14.3.2011 12:08:14

Nakon eksplozija i kvarova što su ih prošli tjedan u japanskim nuklearkama izazvali snažan potres i cunami, brojni su mediji upozorili kako postoji mogućnost da se ponovi nuklearna katastrofa černobilskog tipa

Međutim, stručnjaci za nuklearnu energiju ističu da su uglavnom sve te vijesti, pa i one uglednih medijskih kuća poput CNN-a, obilovale dezinformacijama i pogreškama.

Dr. Josef Oehmen znanstvenik s MIT-ja u Bostonu kaže da je situacija u Japanu ozbiljna, no ipak pod kontrolom te ističe kako je važno da to shvate i obični ljudi koji nemaju dovoljno znanja o nuklearkama.

U uvodu svoje podulje analize Oehmen kaže da je objašnjenje zbivanja u japanskim nuklearkama teško sažeto predstaviti, međutim, ističe da će svatko tko ga uspije pročitati do kraja vjerojatno o nuklearnim elektranama znati više od svih novinara svijeta zajedno i shvatiti zašto u japanskom scenariju nije bilo niti će biti 'značajnijeg radioaktivnog zagađenja' opasnog po čovječanstvo.

'Pod značajnijim zagađenjem podrazumijevam razine zračenja više od onih što bismo ih primili tijekom dugog putovanja zrakoplovom ili ispijanjem čaše piva proizvedenog u dijelovima svijeta s visokim prirodnim zračenjem', kaže dr. Oehmen.

Struktura nuklearne centrale Fukushima

Nuklearka Fukushima spada u tzv. reaktore na vodenu paru koji su slični ekspres loncima. Nuklearno gorivo u njima zagrijava vodu, ona vrije i stvara paru, a para pokreće turbine koje proizvode struju. Para se potom hladi i ponovno pretvara u vodu koja se vraća u sustav. Ovaj ekspres lonac radi na temperaturi od oko 250 stupnjeva Celzijevih.

Kao gorivo se koristi uranov oksid koji se topi na vrlo visokoj temperaturi od oko 3.000º C. Izrađuje se u obliku malenih valjaka veličine lego-kocke. Valjci se smještaju u duge cijevi cirkonijeve slitine s talištem na 2.200º C i nazivaju se šipkama goriva. Više takvih šipki u zajedničkom omotaču naziva se jezgrom.

Omotač od cirkonijeve slitine smatra se prvim spremnikom koji radioaktivno gorivo odvaja od ostatka svijeta.

Jezgra se polaže u tzv. tlačnu posudu koja je drugi spremnik. Tlačna posuda vrlo je čvrsto građena i može podnijeti zagrijavanje jezgre na više stotina stupnjeva Celzijevih. Njome je pokriven scenarij u kojem se hlađenje jezgre u nekom trenutku nakon kvara može ponovno uspostaviti.

Cijeli hardver nuklearnog reaktora – tlačna posuda, sve cijevi, pumpe i spremnici vode za hlađenje potom se osiguravaju trećim spremnikom. Njegove stjenke od najkvalitetnijeg čelika vrlo su debele i hermetički zatvorene. Treći je spremnik dizajniran, izgrađen i testiran s jednom, jedinom svrhom – da na neograničeno vrijeme zadrži i podnese potpuno topljenje jezgre. Kako bi se to osiguralo, unutar trećeg spremnika drugi spremnik - tlačna posuda, polaže se u bazen od debelih stjenki betona ispunjen grafitom. Ovaj dio zove se hvatač jezgre. Ako se jezgra otopi i tlačna posuda eksplodira, on će uhvatiti otopljenu jezgru i sve ostale materijale. Izgrađen je tako da omogućuje širenje i time hlađenje nuklearnog goriva.

Treći spremnik smješta se u zgradu reaktora koja je vanjski omotač i reaktor štiti od vremenskih uvjeta i nepogoda. U eksploziji u Japanu oštećena je ta zgrada.

Osnove nuklearne reakcije


Eksplozija u nuklearki
Uranovo gorivo toplinu stvara procesom koji se zove nuklearna fisija. Veliki atomi urana raspadaju se na manje atome. U tom procesu dio mase pretvara se u energiju, a također nastaju slobodni neutroni (neutron je jedan od sastavnih dijelova jezgre atoma). Kada slobodni neutroni udare u druge atome urana, oni se također raspadaju, stvaraju nove neutrone i energiju, a cijeli se proces naziva nuklearnom lančanom reakcijom.

Kada bi se šipke goriva smjestilo jedne pored drugih, one bi se brzo pregrijale, a nakon nekih 45 minuta i otopile. Treba istaknuti da gorivo u reaktoru nikada ne može eksplodirati poput nuklearne bombe. Izgradnja nuklearne bombe zapravo je vrlo zahtjevan posao. Havariju u Černobilu izazvali su prevelik tlak, eksplozija vodika i popuštanje svih spremnika nakon čega je rastopljena jezgra iscurila u okoliš – slučaj koji možemo nazvati 'prljavom bombom'. Nadalje ćemo pokušati objasniti zašto se to nije dogodilo i zašto se neće dogoditi u Japanu.

Da bi mogli kontrolirati nuklearnu lančanu reakciju, stručnjaci u nuklearkama koriste tzv. kontrolne šipke. Ove šipke apsorbiraju neutrone i trenutno zaustavljaju reakciju. Reaktori su tako izgrađeni da se za normalnog rada vade sve kontrolne šipke. Voda hladi reaktor, pretvara se u paru i stvara struju istom brzinom kojom jezgra stvara toplinu. Na taj način ostaje dovoljno slobodnog manevarskog prostora oko radne temperature od 250º C.

No problem je u tome što jezgra još neko vrijeme nastavlja stvarati toplinu čak i nakon što se ubace kontrolne šipke. Lančana reakcija urana se zaustavlja, međutim, u njoj je stvoren niz radioaktivnih elemenata poput izotopa cezija i joda koji će se s vremenom raspasti na manje atome i izgubiti radioaktivnost. Budući da je njihovo stvaranje u raspadu urana prestalo, količina im se s vremenom smanjuje te se jezgra kroz nekoliko dana ohladi. Ova toplina trenutačno stvara probleme stručnjacima.

Dakle, prvu vrstu radioaktivnog materijala sačinjavaju uranove šipke i radioaktivni elementi nastali raspadom urana koji se također nalaze u šipkama.

Izvan šipki stvara se i druga vrsta radioaktivnog materijala, međutim njegovo je vrijeme poluraspada vrlo kratko pa će se vrlo brzo - u nekoliko sekundi - raspasti i pretvoriti u neradioaktivne materijale. Ako ti materijali dospiju u okoliš, možemo reći da je iscurio radioaktivni materijal, međutim on je potpuno bezopasan. Naime, dok kažete 'nuklearni reaktor', oni će već biti bezopasni, jer će se raspasti na elemente koji ne zrače. Ti radioaktivni elementi su radioaktivni izotop dušika N-16 te plemeniti plinovi poput ksenona. Kako oni nastaju? Uran tijekom raspada oslobađa neutrone. Većina tih neutrona udarat će u druge atome urana i održavati lančanu reakciju. Međutim, neki će izaći iz šipki te udariti u molekule vode ili pak zraka u njoj. Elementi koji uhvate te neutrone postat će radioaktivni. No kroz nekoliko sekundi otpustit će ih i ponovno postati bezopasni.

Ova druga vrsta zračenja vrlo je važna u priči o curenju radioaktivnosti u okoliš koju ćemo kasnije predstaviti.

Što se dogodilo u Fukushimi?

Wikipedia
Uvećajte klikom
Potres koji je pogodio Japan bio je čak sedam puta snažniji od najgoreg potresa koji je bio predviđen tijekom gradnje nuklearne centrale. Naime, centrala je građena da podnese 8,2 stupnja, a kako Richterova skala funkcionira logaritamski, potres od 8,9 stupnjeva zapravo je sedam puta snažniji, a ne 0,7. U svakom slučaju japanski su inženjeri obavili dobar posao!

Kada se tlo zatreslo, nuklearni su se reaktori automatski isključili. Već nekoliko sekundi od početka potresa u jezgru su ubačene kontrolne šipke i lančana je reakcija stala. Nakon toga rashladni je sustav trebao odvesti preostalu toplinu koje ima oko tri posto od ukupne topline što se stvara u normalnim radnim uvjetima.

Međutim, potres je uništio izvanjsko napajanje reaktora, a budući da je centrala isključena, više nije stvarala električnu energiju. To je jedna od najtežih nezgoda koje se mogu dogoditi u nuklearki pa se tom problemu u izgradnji posvećuje velika pozornost i osiguravaju pomoćni sigurnosni sustavi.

Prvih sat vremena stvari su se odvijale kako treba. Jedno od brojnih postrojenja benzinskih generatora struje uključilo se i opskrbljivalo sustav potrebnom energijom. No potom je stigao cunami, mnogo veći od onoga koji su konstruktori nuklearke predvidjeli prilikom gradnje, i isključio generatore.

Prilikom gradnje elektrane slijedi se vrlo rigorozan sustav osiguranja u kojem se sve prvo projektira tako da može podnijeti najgoru katastrofu koju možete zamisliti, a potom se sustav konstruira tako da može podnijeti još niz dodatnih kvarova za koje ste mislili da se nikako ne mogu dogoditi. Takav scenarij bio je prodor cunamija koji je isključio sve pomoćne sustave napajanja. Posljednja linija obrane je smještanje svega u treći spremnik koji će sve probleme, uključujući i rastopljenu jezgru, zadržati unutar reaktora (pogledajte ilustraciju desno).

Kada su benzinski generatori prestali raditi operateri su reaktor prebacili na baterijsko napajanje koje je zamišljeno kao zamjenski sustav za zamjenske sustave. One su konstruirane tako da osam sati daju struju potrebnu za hlađenje jezgre. U tih osam sati trebalo je centralu uključiti u novi izvor struje. Mrežu je uništio potres, a benzinske generatore cunami. Trebalo je stoga dopremiti mobilne generatore. No tu su stvari krenule krivim putem. Dopremljeni generatori nisu se mogli povezati s centralom jer utikači nisu odgovarali! Stoga se jezgra nastavila zagrijavati čim su se baterije potrošile.

U tom trenutku operateri su počeli slijediti hitne procedure za slučaj gubitka rashladnog sustava. To je još jedna od standardnih procedura osiguranja. Potpuni prekid napajanja nikada se nije smio dogoditi, no ipak se dogodio. Iako nam se sve ovo može činiti šokantnim, zapravo je dio uobičajenog treninga kroz koji prolaze svi operateri. U tom trenutku počelo se govoriti o topljenju jezgre. Naime, ako se ne osigura hlađenje, jezgra će se nakon više sati ili dana konačno rastopiti te će ključnu ulogu imati treći spremnik.

U ovoj fazi trebalo je nekako osigurati da prvi spremnici - cijevi od cirkonijeve slitine i drugi spremnik – tlačna posuda, ostanu što dulje funkcionalni sve dok inženjeri ne osiguraju rad rashladnog sustava.

Budući da je hlađenje jezgre izuzetno važno, svi reaktori imaju više rashladnih sustava, a svaki od njih više verzija. U ovom trenutku (kada je pisan tekst) nije jasno koji je sustav otkazao.

Zamislite, dakle, ekspres lonac na laganoj vatri. Operateri su uključili sve sustave hlađenja koji su im na raspolaganju kako bi izvukli što više topline, međutim, tlak ipak raste. Sada je prioritet održavanje integriteta prvog spremnika (održavanje temperature ispod 2.200º C), kao i drugog – tlačne posude. Kako bi ovaj drugi ostao u funkciji s vremena na vrijeme potrebno je ispustiti tlak. U tu svrhu reaktor je opremljen sa 11 ventila. Operateri su ih povremeno otvarali, a temperatura je bila oko 550º Celzijevih.

Tada su krenule vijesti o curenju radijacije. Ranije smo objasnili zašto se ispuštanje ventila teorijski može nazvati puštanjem zračenja u okoliš, ali i zašto nije opasno. Radioaktivni dušik i plemeniti plinovi ne predstavljaju prijetnju ljudskom zdravlju.

U nekom trenutku tijekom ispuštanja pritiska došlo je do eksplozije. Ona se dogodila izvan trećeg spremnika – posljednje linije obrane i zgrade reaktora. Podsjećamo da svrha zgrade nije zaustavljanje zračenja. Nije potpuno jasno što se dogodilo, međutim, operateri najvjerojatnije nisu htjeli ispustiti tlak u okoliš, već u prostor između trećeg spremnika i zgrade reaktora kako bi osigurali dovoljno vremena za slabljenje radioaktivnosti pare. No problem je u tome da se na visokim temperaturama, koje je u međuvremenu dosegla jezgra, molekule vode mogu raspasti na kisik i vodik, a ta je mješavina vrlo eksplozivna. Smjesa je eksplodirala i oštetila zgradu reaktora.

Ovakva vrsta eksplozije dogodila se i u Černobilu, ali ne u zgradi, već unutar trećeg spremnika koji je bio loše dizajniran i slabo održavan. Opasnosti od takve eksplozije u Fukushimi ni u jednom trenutku nije bilo.

Problem stvaranja mješavine kisika i vodika jedan je od najvažnijih o kojima se vodi računa pri konstrukciji centrale, pa su reaktori tako građeni da se ona nikako ne može dogoditi u njima. Eksplozija se dogodila izvan spremnika i ni u jednom ih trenutku nije ugrozila.

Tlak je sada bio pod kontrolom jer je para ispuštena. Međutim, kada nastavite grijati lonac i ispuštati paru, razina vode postupno pada. Jezgra je prekrivena s nekoliko metara vode kako bi prošlo dovoljno vremena - više sati ili dana - prije nego što ostane na suhom. Kada šipke ostanu na suhom izloženi dijelovi kroz 45 minuta dostižu temperaturu od 2.200º C. Tada propada prvi sloj zaštite - cirkonijeve cijevi. Japanski stručnjaci nisu uspjeli osigurati hlađenje prije nego što se oštetio dio cijevi. U tom trenutku dio radioaktivnih tvari nastalih raspadom urana - cezija i joda - počeo se miješati s parom. No najveći problem – uran - i dalje je bio pod kontrolom jer se on topi tek na 3.000º C. Japanski su stručnjaci potvrdili da su u pari koja je ispuštena u atmosferu zabilježene male količine cezija i joda.

mylogicoftruth.files.wordpress.com
Centrala u Fukushimi
Tragovi ovih elemenata operaterima su bili znak da cijevi popuštaju te da treba preći na plan B. Plan A podrazumijevao je osposobljavanje redovnih sustava hlađenja jezgre. Zašto nije uspio još uvijek nije jasno. Moguće je da je cunami zagadio čistu vodu neophodnu za regularne sustave hlađenja. Ta je voda vrlo čista poput destilirane. Uran raspadom ne može jako aktivirati čistu vodu, međutim, nečistoće ili soli u vodi brže apsorbiraju neutrone i postaju radioaktivne. To za jezgru nije bitno - njoj je svejedno čime ćete je hladiti. Međutim, scenarij predstavlja problem za operatere i mehaničare koji trebaju rukovati, vodom koja je postala radioaktivna.

Dakle, nakon što je propao plan A, pokrenut je plan B. Najvjerojatnije se dogodilo sljedeće:
da spriječe topljenje jezgre operateri su je počeli hladiti morskom vodom. Nije sigurno jesu li njome zalijevali tlačnu posudu ili treći spremnik. No to i nije bitno.

Najvažnije je da se nuklearno gorivo počelo hladiti. Budući da je nuklearna reakcija odavno prestala, u reaktoru se stvaralo još vrlo malo topline pa je prestao rasti tlak. Morskoj vodi dodana je borna kiselina koja se smatra tekućom kontrolnom šipkom jer upija neutrone i ubrzava hlađenje jezgre.

Dakle, jezgra je u Fukushimi došla blizu točke topljenja te je izbjegnut najgori scenarij. Naime, da se za hlađenje nije mogla upotrijebiti morska voda, operateri bi morali otvarati ventile kako bi spriječili rast tlaka. Treći spremnik bi se tada potpuno zatvorio kako bi se jezgra u njemu mogla rastopiti, a da radioaktivni materijal ne iscuri. Nakon topljenja trebalo bi pričekati da se u reaktoru raspadnu izotopi te da se radioaktivne čestice u spremniku slegnu. Sustav hlađenja u nekom bi trenutku proradio, a jezgra bi se rashladila na potrebnu temperaturu. Potom bi spremnik trebalo očistiti iznutra. Konačno bi započeo prljav posao uklanjanja rastopljene jezgre i transport u centrale za procesuiranje. Ovisno o veličini štete centrala bi se popravila ili srušila.

Kakva je situacija sada?

Ukratko, centrala je sigurna, a tako će i ostati.

Situacija je teška za kompaniju, ali nije opasna za ljude.

Nešto zračenja iscurilo je tijekom ispuštanja ventila, međutim, ono je bezopasno.

U more je isteklo tek vrlo malo radioaktivnog joda i cezija.

U rashladnu vodu će isteći još malo izotopa, no oni će se moći pročistiti.

Jezgru reaktora trebat će rastaviti i prevesti u postrojenja za obradu kao što se to redovno radi prilikom promjene goriva.

Centralu će trebati temeljito provjeriti. Za to će biti potrebno četiri do pet godina.

Sustavi osiguranja nakon ove katastrofe bit će unaprijeđeni tako da najmanje mogu podnijeti potres magnitude 9,0 i cunami.

Najveći problem bit će nestašice struje.
  • Sviđa vam se članak? Preporučite ga prijateljima putem ovih servisa:
  • Pošaljite mailom
Čitajte još