OCHRONA PRZED ZAGROŻENIAMI PO AWARIACH W ELEKTROWNIACH JĄDROWYCH

W momencie rozszczepienia jądra uranu emitowane są dwa jądra lżejszych pierwiastków, zwanych produktami rozszczepienia . na przykład ksenon i stront, a także dwa lub trzy neutrony i promieniowanie gamma. Łączna energia wydzielana przy rozszczepieniu wynosi około 200 milionów elektronowoltów (200 MeV). Jądra produktów rozszczepienia oddalają się od siebie z ogromną prędkością, a energia ich wynosi łącznie około 160 MeV. Uderzają one o jądra innych pierwiastków znajdujących się w paliwie jądrowym i oddają im swoją energię kinetyczną, pobudzając je do ruchu, czyli powodując grzanie materiału paliwowego. Przy dużych gęstościach rozszczepień typowych dla reaktorów jądrowych w nowoczesnych EJ grzanie to jest bardzo intensywne i wynosi od 300 do 500 W na każdy centymetr długości pręta paliwowego.

Wydzielone przy tym ciepło przewodzone jest przez paliwo, uformowane w pastylki paliwowe, do otaczającej je osłony (koszulki) mającej postać rury (pręta) Stamtąd odbiera je woda chłodząca. Zestawy prętów paliwowych tworzą łącznie rdzeń reaktora, którego moc dla dużych elektrowni sięga 3500 MW cieplnych. Podgrzana w rdzeniu reaktora woda przepływa do wytwornic pary, gdzie oddaje ciepło wodzie obiegu wtórnego, utrzymywanej pod niższym ciśnieniem niż woda w obiegu pierwotnym. Woda obiegu wtórnego zamienia się w parę i płynie do turbiny, napędzającej wał generatora. W ten sposób energia odrzutu produktów rozszczepienia zostaje wykorzystana do wytwarzania prądu elektrycznego.

Jednakże już po oddaniu swej energii kinetycznej jądra owych produktów rozszczepienia w dalszym ciągu emitują energię wskutek rozpadów promieniotwórczych, przy których wydziela się promieniowanie alfa, beta i gamma. Jest to przyczyną tzw. Grzania powyłączeniowego, które trwa nadal w paliwie nawet, gdy reaktor zostanie wyłączony i ustanie łańcuchowa reakcja rozszczepienia. Grzanie powyłączeniowe jest dużo mniejsze niż grzanie wskutek energii rozszczepienia, ale nawet ta energia rozpadu musi być odbierana od paliwa, jeśli ma ono być chronione przed przegrzaniem i stopieniem.

Wobec tego, że awarie łączą się zwykle z zakłóceniami w przypływie wody chłodzącej, a więc ze zmniejszonym odbiorem ciepła od paliwa, pierwszym zadaniem w razie awarii jest przerwać reakcję rozszczepienia, by zmniejszyć intensywność generacji energii i ułatwić odbiór ciepła od rdzenia. Zadanie to spełnia układ prętów silnie pochłaniających neutrony, które są wprowadzane do rdzenia reaktora i wychwytują neutrony zapobiegając w ten sposób ich zderzeniom z jądrami uranu i wygaszając reakcję łańcuchową. W reaktorach z moderatorem wodnym istnieje ponadto sprzężenie zwrotne, zapewniające obniżenie mocy reaktora, gdy tylko wystąpi podgrzew wody. Sprzężenia tego nie ma w reaktorach RBMK, które pracowały w kilku elektrowniach jądrowych w dawnym ZSRR, w tym także i w Czarnobylu. Było to zasadniczą przyczyną awarii czarnobylskiej, którą będziemy szczegółowo omawiać w następnym artykule. Tymczasem ograniczymy się do stwierdzenia, że w elektrowniach jądrowych (EJ) z reaktorami wodnymi stosunkowo łatwo można spełnić wymaganie wyłączenia reaktora w razie awarii. Natomiast problemem w reaktorach wszystkich typów jest zapewnienie niezawodnego odbioru ciepła od rdzenia już po wyłączeniu reaktora. Niezawodnego . bo układy bezpieczeństwa reaktora muszą zapewnić, że rdzeń będzie pokryty wodą i chłodzony pomimo wszelkich możliwych awarii, np. mimo braku zasilania elektrycznego z zewnątrz, uszkodzeń pomp, a nawet mimo możliwego rozerwania obiegu pierwotnego i utraty wody chłodzącej z reaktora.

Co stanie się przy braku chłodzenia? Czy nastąpi wybuch jak w bombie atomowej? Nie, do wybuchu jądrowego dojść nie może, ale w razie braku odbioru ciepła paliwo może ulec przegrzaniu i uszkodzeniu, a zawarte w nim produkty rozszczepienia wydzielą się poza koszulki paliwowe do chłodziwa.

Jak omawialiśmy w poprzednim artykule1, w EJ istnieje układ kolejnych barier . materiał pastylek paliwowych, koszulki paliwowe, granica ciśnieniowa obiegu pierwotnego, obudowa bezpieczeństwa . powstrzymujących wydzielanie produktów rozszczepienia z rdzenia do środowiska. Awarie powodujące tylko przegrzanie paliwa bez uszkodzenia obiegu pierwotnego . np. na skutek utraty przepływu chłodziwa - powodują zniszczenie pierwszych dwóch barier, ale bariera trzecia i czwarta pozostają nienaruszone.

Najgroźniejsze są awarie z rozerwaniem obiegu pierwotnego, bo oznaczają one natychmiastową utratę trzeciej bariery i gwałtowny wypływ wody z obiegu. Woda pod ciśnieniem 15 MPa i o temperaturze około 330 oC po rozszczelnieniu obiegu gwałtownie rozpręża się do ciśnienia atmosferycznego i ulega odparowaniu. Prowadzi to do szybkiego opróżnienia obiegu pierwotnego a w szczególności do osuszenia rdzenia reaktora, w którym proces odparowywania wody jest najbardziej intensywny. Jeśli nie dostarczymy wody do rdzenia, nastąpi stopienie paliwa i otaczającej je koszulki, a więc utrata dwóch pierwszych barier. Jedyną ochroną pozostaje wówczas obudowa bezpieczeństwa. Dlatego projektanci reaktorów zapewniają wysokie zapasy bezpieczeństwa w projekcie obiegu pierwotnego i wykluczają wszelkie przewidywalne przyczyny jego uszkodzenia, a operatorzy kontrolują, czy nie uległ on w toku eksploatacji osłabieniu. Jednocześnie wyposaża się EJ w układy bezpieczeństwa mające z najwyższą niezawodnością zapewnić dostarczenie wody do rdzenia nawet w mało prawdopodobnym przypadku rozerwania obiegu pierwotnego.

Wymagana niezawodność jest bardzo wysoka . awaria jednocześnie takiej liczby układów bezpieczeństwa, że mogłoby dojść do uszkodzenia rdzenia powinna zdarzać się nie częściej niż raz na 100 tysięcy lat pracy reaktora. Sto tysięcy lat to okres dłuższy od całej historii ludzkości, ze wszystkimi wojnami, zniszczeniami miast i wsi, trzęsieniami ziemi, migracjami ludów ... Jak osiągnąć tak wysoką niezawodność układów bezpieczeństwa reaktora?

Już od samego początku istnienia elektrowni jądrowych zdawano sobie sprawę z potencjalnych zagrożeń i podejmowano działania dla ochrony personelu i społeczeństwa przed skutkami możliwych awarii. Jako podstawowe założenie przyjęto, że ryzyko związane z energetyką jądrową powinno być mniejsze niż ryzyko związane z innymi metodami wytwarzania energii elektrycznej. Odstępstwo od tej zasady zdarzyło się, gdy w Związku Radzieckim zbudowano elektrownie jądrowe typu RBMK, bazowane na reaktorach przeznaczonych do celów wojskowych i charakteryzujące się wrodzonymi sprzężeniami zwrotnymi prowadzącymi do wzrostu ich mocy w sytuacjach awaryjnych. Twórcy tych elektrowni przerzucili na operatora odpowiedzialność za ich bezpieczeństwo, ale awaria w Czarnobylu udowodniła, że rozwiązanie takie jest nie do przyjęcia. Jedyną możliwą drogą dalszego rozwoju elektrowni jądrowych jest przyjęcie zasad filozofii bezpieczeństwa jądrowego, zapoczątkowanej w USA przed 50 laty i stale doskonalonej w krajach zachodnich budujących energetykę jądrowa.

2.1 Zasady ogólne przyjęte przez MAEA

Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (MAEA) sformułowała trzy zasadnicze cele w
dziedzinie bezpieczeństwa jądrowego:

Ogólny cel bezpieczeństwa jądrowego

Chronić ludzi, społeczeństwo i środowisko przed szkodami przez utworzenie i utrzymywanie
w instalacjach jądrowych skutecznej obrony przeciw zagrożeniom radiologicznym.

Cel ochrony radiologicznej

Zapewnić, że we wszystkich stanach eksploatacyjnych narażenie radiacyjne wewnątrz
instalacji lub powodowane przez planowane uwolnienia materiałów radioaktywnych z
instalacji utrzymywane jest poniżej wyznaczonych limitów i jest tak niskie, jak tylko jest to
praktycznie rozsądne, oraz zapewnić ograniczanie (minimalizację) skutków radiologicznych
wszelkich wypadków.

Cel bezpieczeństwa technicznego

Podjąć wszelkie praktycznie możliwe środki dla zapobiegania wypadkom w instalacjach
jądrowych i ograniczania ich następstw, jeśli jednak do awarii dojdzie; zapewnić z wysokim
poziomem ufności, że dla wszystkich możliwych awarii branych pod uwagę w projekcie
instalacji, łącznie z tymi o bardzo małym prawdopodobieństwie, wszelkie skutki
radiologiczne będą niewielkie i poniżej określonych limitów, a także zapewnić, że
prawdopodobieństwo awarii z poważnymi skutkami radiologicznymi jest krańcowo małe.
Zasady bezpieczeństwa dla elektrowni jądrowych w części dotyczącej projektowania i
budowy można podsumować następująco:

• Projekt ma zapewnić, że instalacja jądrowa nadaje się do niezawodnej, stałej i łatwej eksploatacji, przy czym nadrzędnym celem jest zapobieganie wypadkom.
  
• W projekcie trzeba stosować zasadę głębokiej obrony, z szeregiem poziomów obrony i z wielokrotnymi barierami zabezpieczającymi przed uwalnianiem materiałów radioaktywnych. Trzeba też tak projektować instalację, by prawdopodobieństwo wystąpienia uszkodzeń lub kombinacji uszkodzeń mogących prowadzić do poważnych konsekwencji było bardzo małe.
  
• Rozwiązania techniczne stosowane w projekcie winny być uprzednio sprawdzone w pracy innych obiektów lub poprzez doświadczenia.
  
• Na wszystkich etapach projektowania i przygotowania eksploatacji trzeba uwzględniać problemy współpracy człowieka z maszyną i możliwość błędu człowieka.
  
• Projekt musi zapewnić, że narażenie na promieniowanie personelu instalacji i możliwość uwolnienia materiałów radioaktywnych do otoczenia są tak małe jak jest to rozsądnie osiągalne.
  
• Zanim właściciel elektrowni złoży wniosek o dopuszczenie do budowy instalacji, należy przeprowadzić pełną analizę bezpieczeństwa elektrowni i jej niezależną weryfikację by upewnić się, że projekt instalacji spełni wymagania bezpieczeństwa.

Na tej podstawie organy nadzoru w różnych krajach ustanowiły swe kryteria bezpieczeństwa lub zaakceptowały kryteria bezpieczeństwa proponowane przez organizacje starające się o zezwolenie na budowę. Przedstawione powyżej zasady są uznawane za obowiązujące przy analizie bezpieczeństwa elektrowni jądrowych nie tylko w krajach zachodnich, ale także na całym świecie.