Katastrofy w elektrowniach jądrowych

Tekst z miesięcznika Uważam Rze Historia

W roku 1938 fizyk jądrowa Lise Meitner, współpracująca z Ottonem Hahnem i Fritzem Strassmannem, dokonała pierwszego w historii laboratoryjnego rozszczepienia jądra atomu.

Bombardowanie neutronami jądra uranu spowodowało powstanie atomów baru. Wielka ilość ciepła, jaka wyzwoliła się podczas eksperymentu, uświadomiła uczonym, że mają do czynienia z nowym, niezwykle efektywnym i ekonomicznym źródłem energii.

Narodziny energetyki atomowej

Prawdziwy rozwój energetyki jądrowej rozpoczął się na początku lat 50. XX w. Pierwszą elektrownią jądrową o mocy 5 MW była zbudowana w 1954 r. radziecka elektrownia w Obnińsku. W 1956 r. Wielka Brytania wzniosła reaktor grafitowo-gazowy, a w 1957 r. Amerykanie uruchomili w Shippingport swój pierwszy reaktor wodno-ciśnieniowy typu PWR. Te pionierskie wersje reaktorów jądrowych służyły głównie do produkcji wzbogaconych materiałów rozszczepialnych stosowanych do wytwarzania broni jądrowej.

Od czasu wielkiej rewolucji przemysłowej ludzkość boryka się z problemem znalezienia jak najbardziej wydajnego i odnawialnego źródła energii. Oblicza się, że dzisiejsze elektrownie węglowe zużywają rocznie do wyprodukowania 1000 megawatów energii elektrycznej 2,5 mln ton węgla kamiennego. Elektrownia jądrowa, aby osiągnąć ten sam wynik, zużywa 30 ton prętów uranowych.

Obecnie na świecie funkcjonuje kilka typów elektrowni jądrowych. Ich cechą wspólną jest zasada wytworzenia i wtłoczenia pod ciśnieniem pary wodnej do turbiny, którą połączono wałem napędzającym generator prądotwórczy. Jest to więc rodzaj silnika parowego, a jedyną różnicą pomiędzy tradycyjną elektrownią a jej jądrową wersją jest sposób pozyskiwania pary wodnej. Paliwem podgrzewającym wodę w reaktorze jądrowym są zanurzone w niej pręty paliwowe. Najszerzej stosowanym jest tzw. reaktor wodno-ciśnieniowy PWR.W reaktorze tym mieści się od 150 do 250 kaset paliwowych. Każda kaseta zawiera od 200 do 300 prętów paliwowych. Cienkościenne pręty paliwowe mają średnicę około 10 mm i są zbudowane ze stopu cyrkonu lub stali nierdzewnej. Pręty są zespawane na końcach. Wewnątrz prętów znajdują się porównywalne z wielkością spinacza biurowego baryłki lub kapsułki z rozszczepialnym paliwem uranowym 235U oraz 233U lub paliwem plutonowym 239Pu, uranowo-plutonowym MOX czy torowym 232Th. W najogólniejszym opisie: jądra atomów ulegają samoistnemu rozszczepieniu, co powoduje powstawanie 2-3 wolnych neutronów na pojedyncze rozszczepienie jądra atomu. Neutrony inicjują kolejne procesy rozszczepiania jądra w cyklu reakcji łańcuchowej. Pomiędzy kasetami z prętami uranowymi znajdują się zespoły prętów kontrolnych w formie wykonanych ze stali nierdzewnej prętów lub wypełnionych sproszkowanymi związkami chemicznymi takimi jak: stopy srebra, kadmu i indu, boru, hafnu lub tytanku dysprozu. W reaktorze elektrowni pręty kontrolne są całkowicie zanurzone na początku rozruchu, tamują więc ruch neutronów. Stopniowe i ściśle kontrolowane podnoszenie blokady inicjuje ruch neutronów i rozpoczęcie reakcji rozszczepiania jąder atomów paliwa uranowego czy plutonowego. Zespoły prętów zawieszone są grawitacyjnie nad chłodziwem, a zarazem moderatorem reaktora, którym może być woda, ciężka woda oraz grafit.

Zanurzone w chłodziwie reaktora pręty decydują o wychwytywaniu i kontroli ilości neutronów biorących udział w reakcji termojądrowej. Całkowite opuszczenie prętów powoduje „blokadę" przepływu neutronów i przerwanie reakcji termojądrowej. Podniesienie ich ponad dopuszczalny poziom może spowodować niekontrolowany wzrost ilości neutronów, gwałtowny wzrost temperatury rdzenia i chłodziwa w reaktorze.

Ostrzeżenie z Three Mile Island

Pierwsza poważna awaria elektrowni atomowej miała miejsce w eksperymentalnej elektrowni jądrowej w Lucens w Szwajcarii. Obiekt ten zbudowano ze względów bezpieczeństwa w grocie skalnej. Szwajcarska elektrownia miała niewielką moc 6 MW mocy elektrycznej i 28 MW mocy cieplnej. 21 stycznia 1969 r. nastąpił przeciek wody z łożysk pomp do wnętrza reaktora, co spowodowało korozję okładzin prętów paliwowych, a skorodowane elementy wstrzymały przepływ chłodziwa. Gwałtowny wzrost temperatury stopił pręty paliwowe i inne elementy reaktora. W końcowym efekcie produkty rozszczepienia wydostały się poza reaktor.

Na szczęście nikt nie odniósł obrażeń. Nie stwierdzono również szkodliwych dawek promieniowania jonizującego u pracowników reaktora. Ściany jaskini skutecznie zablokowały skażenie środowiska naturalnego.

W 1979 r. nastąpiła awaria w wodno-ciśnieniowej elektrowni jądrowej Three Mile Island w amerykańskim stanie Pensylwania. Jej skutkiem było częściowe stopienie rdzenia w drugim reaktorze wodno-ciśnieniowym TM-2. Awaria zaworu bezpieczeństwa spowodowała spadek ciśnienia wody, co wywołało gwałtowny wzrost temperatury chłodziwa i cyrkonowych okładzin prętów paliwowych. Rdzeń reaktora osiągnął temperaturę 2760oC i zaczął się topić. Egzotermiczna reakcja cyrkonu z parą wywołały wydzielanie się tlenu i wodoru, w wyniku czego doszło do samozapłonu i pożaru. Awaria zaworu bezpieczeństwa spowodowała wyciek do budynku reaktora 950 m3 chłodziwa skażonego radioaktywnie. Mimo że aż 30 proc. rdzenia uległo stopieniu, awaria nie spowodowała katastrofy biologicznej na większą skalę. Nie było ofiar śmiertelnych i poza stratami materialnymi do atmosfery przedostała się niewielka ilość gazów odlotowych z zawartością jodu-131.

Jednak wypadek z elektrowni Three Mile Island wpłynął negatywnie na stosunek Amerykanów do energetyki jądrowej, a śledztwo zarządzone przez prezydenta Jimmy'ego Cartera uwidoczniło brak przygotowania personelu elektrowni na sytuacje awaryjne. Jak na ironię awaria w Three Mile Island wydarzyła się zaledwie dwa tygodnie po premierze filmu „Chiński syndrom", w którym była pokazywana bardzo podobna sytuacja. Grająca w tym filmie główną rolę aktorka Jane Fonda, niegdyś organizatorka protestów przeciwko obecności amerykańskich wojsk w Wietnamie, po katastrofie w Three Mile Island stanęła na czele ruchu „antyatomowego" zwalczającego stosowanie pierwiastków promieniotwórczych w gospodarce i przemyśle. Po drugiej stronie barykady znalazł się profesor Edward Teller, słynny twórca bomby wodorowej i fanatyczny zwolennik rozwoju programów jądrowych w USA, który w swych wystąpieniach przekonywał, że wobec zmniejszających się zasobów paliw kopalnych energetyka termojądrowa jest jedynym logicznym rozwiązaniem pozyskiwania taniej i niezwykle efektywnej energii.

Wydarzenia w elektrowni Three Miles Island zasiały ziarno strachu w Amerykanach. Przeciwnicy budowy elektrowni atomowych zaczęli stawiać znak równości pomiędzy elektrownią jądrową a bombą atomową. Ta fobia wynikała jednak z nieznajomości różnic między reakcją termojądrową, jaka zachodzi w reaktorze elektrowni, a detonacją bomby atomowej. W elektrowni jądrowej używa się nisko wzbogaconego uranu (20–30 proc.), a sam proces rozszczepiania jąder wywoływany neutronami jest stale kontrolowany poprzez chłodziwo pełniące jednocześnie rolę moderatora ilości przepływanych neutronów. Paliwo to w żaden sposób nie może wywołać eksplozji. Natomiast w bombie atomowej stosowane jest paliwo uranowe lub plutonowe wzbogacone do wartości powyżej 90 proc. Niekontrolowaną, łańcuchową reakcję termojądrową inicjuje zwykły, konwencjonalny ładunek wybuchowy. Eksplozja bomby atomowej powoduje powstanie potężnej fali uderzeniowej,

promieniowania przenikliwego jonizującego gamma i neutronowego promieniowania cieplnego, a także impulsu elektromagnetycznego zakłócającego ziemskie pole magnetyczne. Efektem ubocznym jest skażenie promieniotwórcze. Bomba wodorowa, w której odbywa się proces syntezy jąder lekkich pierwiastków wodoru i helu, ma znacznie większą niż atomowa siłę zniszczenia.

Ponura tajemnica Kysztymy

W wyniku współpracy kanadyjskich i brytyjskich instytutów do badań nad energią jądrową w kanadyjskiej prowincji Ontario powstało w 1942 r. Nuklearne Laboratorium Badawcze w Chalk River. Trzy lata później uruchomiono tam pierwszy znajdujący się poza Stanami Zjednoczonymi reaktor nuklearny moderowany ciężką i lekką wodą. Jednak już 12 grudnia 1952 r. nastąpiła pierwsza z dwóch poważnych awarii reaktora. Na skutek błędnych decyzji operatorów podniosła się gwałtownie temperatura chłodziwa i pary, a następnie doszło do stopienia części prętów paliwowych i kilkakrotnych eksplozji pary i wodoru. Nastąpił częściowy wyciek skażonej wody do rzeki Ottawa, a do atmosfery przedostały się promieniotwórcze związki lotne. Wśród setek kanadyjskich i amerykańskich żołnierzy biorących udział w oczyszczaniu i odkażaniu reaktora oraz jego otoczenia znajdował się służący w US Navy młody inżynier nuklearny Jimmy Carter – późniejszy prezydent USA.

W 1957 r. w Chalk River wydarzył się kolejny wypadek. Skutkiem przegrzania stopiło się kilka prętów paliwowych, po czym nastąpił pożar reaktora. Żeby nie narażać ratowników, do usunięcia awarii użyto dźwigu, ale zabójcze promieniowanie cząsteczek alfa i tak wydostało się poza reaktor. System wentylacyjny był zablokowany pomimo włączonej funkcji „otwarty". Z 600 osób biorących udział w odkażaniu i czyszczeniu część znalazła się w obszarze napromieniowanym. Ku zdumieniu lekarzy późniejsze oficjalne raporty medyczne nie potwierdziły katastrofalnych dla zdrowia skutków wystawienia na napromieniowanie jonizuje. Zadziwiający jest fakt, że tylko niektóre dane wskazywały na niewielki statystycznie wzrost zachorowań na choroby nowotworowe w tej grupie osób. Awarie w Chalk River zaklasyfikowano jako piaty stopień w międzynarodowej skali INES (International Nuclear and Radiological Event Scale).

29 września 1957 r. w Kombinacie Chemicznym „Majak" w obwodzie czelabińskim w Kysztymie na Uralu nastąpiła awaria systemu chłodzącego przechowywanych tam odpadów radioaktywnych, w wyniku której doszło do silnej eksplozji. Do atmosfery przedostała się ogromna ilość substancji promieniotwórczych, które skaziły obszar wielkości 20 tys. km2 zamieszkany przez tysiące ludzi, pracowników elektrowni i nieświadomych śmiertelnego zagrożenia mieszkańców okolic. Oblicza się, że tego dnia promieniowanie radioaktywne mogło osiągnąć poziom 20-krotnie wyższy niż w Czarnobylu w 1986 r. Katastrofa kysztymska osiągnęła stopień szósty w skali INES. Przeszło pół miliona ludzi narażonych zostało na działanie promieniowania jonizującego. W oczyszczaniu i odkażaniu silnie skażonego radioaktywnie obszaru wzięły udział oddziały wojska i ludność cywilna. Niezależne raporty donosiły, że w akcji oczyszczania udział wzięli także uczniowie i kobiety w ciąży. Zgodnie z haniebną sowiecką tradycją ukrywania i przemilczania niewygodnych faktów, do dziś nie jest znana dokładna liczba ofiar „katastrofy kysztymskiej". W 1957 r. nie było jeszcze okołoziemskiej obserwacji satelitarnej zdolnej wykryć wzrost promieniowania radioaktywnego w atmosferze. Podejrzewa się, że jednym z celów misji szpiegowskiej zestrzelonego 1 maja 1960 r. nad ZSRR amerykańskiego samolotu U-2 pilotowanego przez Garry'ego Powersa było sfotografowanie właśnie skażonego Obwodu Czelabińskiego i rejonu Kysztymy. Odkrywane stopniowo fakty dotyczące tej katastrofy są przerażające i stanowią oskarżenie bezdusznego systemu, w którym życie i zdrowie ludzkie miało niewielkie znaczenie. Kysztymę przemianowano na Oziorsk, jakby chciano poprzednią nazwę wymazać z archiwów i pamięci ludzkiej.

Czarnobylskie zaniedbania

To jednak nie koniec tragicznych w skutkach awarii elektrowni atomowych na całym świecie. W 1958 r. w Windscale Wielkiej Brytanii nastąpił wyciek substancji promieniotwórczych, w tym głównie jodu-131 w ilościach i stężeniu, jakie nie stanowiły zagrożenia dla życia. Awaria została oceniona jako stopień piąty w skali INES. Przez pewien czas produkty rolnicze pochodzące z okolicznych obszarów zostały uznane, jako nienadające się do spożycia.

Trzy lata później stopień czwarty w skali INES dostała usterka, do jakiej doszło 3 stycznia 1961 r. w elektrowni jądrowej Atomic City w stanie Idaho w USA. W czasie kontroli prętów paliwowych stwierdzono zakleszczenie centralnego pręta, a próba usunięcia go „na siłę" spowodowała wyrwanie go z układu, gwałtowny wzrost reakcji termojądrowej i mocy do 20 tys. MW. To z kolei doprowadziło do szybkiego odparowania paliwa i zniszczenia reaktora. Pomieszczenia zostały skażone radioaktywnie, a wybuch pary natychmiast zabił trzech techników. Odnotowuje się, że był to pierwszy w historii tego typu wypadek śmiertelny osób z bezpośredniej obsługi reaktora.

26 kwietnia 1986 r. w reaktorze jądrowym RMBK bloku energetycznego nr 4 w elektrowni jądrowej w Czarnobylu na Ukrainie nastąpiła katastrofa, która obok japońskiej Fukushimy przeszła do historii jako największa katastrofa przemysłowa XX w. i została zaliczona do siódmego – najwyższego – stopnia w skali INES. W przypadku Czarnobyla odtajnione raporty KGB opisują problemy z 3 i 4 reaktorem na kilka lat przed katastrofą. Jako jej przyczynę podaje się złą jakość podzespołów produkcji jugosłowiańskiej. Raporty KGB mówią także o nadużyciach w trakcie budowy. Blok energetyczny elektrowni miał budowę modułową, co stwarzało problem szczelności budowli w razie wycieku skażonej pary i lotnych substancji radioaktywnych. Jak na ironię awaria wydarzyła się w czasie, gdy przygotowywano się do testów mających na celu sprawdzenie systemu zasilania elektrycznego mającego usprawnić bezpieczeństwo.

13 września 1987 r. w Goianii w Brazylii radioaktywne skażenie zabiło 4 osoby, a ponad 100 tys. zostało poważnie napromieniowanych. Ten wypadek otrzymał stopień piąty w skali INES. Natomiast 6 kwietnia 1993 r. na terenie wojskowej elektrowni przetwarzania paliwa nuklearnego w syberyjskim Tomsku nastąpił wybuch, w wyniku którego chmura radioaktywna skaziła teren o powierzchni 25 km2. Jak to bywało w ZSRR, nie zachowały się bliższe informacje o tym wypadku.

Tragiczna seria katastrof japońskich elektrowni

W Tokaimura w Japonii 30 września 1999 r. w trakcie przelewania roztworu tlenku uranu do reaktora doszło do spontanicznego rozpoczęcia reakcji łańcuchowej. Dwie osoby poniosły śmierć, a 600 pracowników zostało silnie napromieniowanych. Stopień skażenia radioaktywnego przekroczył wielokrotnie wszelkie dopuszczane normy, otrzymując czwarty stopień w skali INES. Kolejna katastrofa miała miejsce 9 sierpnia 2004 r. w elektrowni Mihama w Japonii, gdzie nastąpiła awaria turbiny trzeciego reaktora. W wybuchu pary zginęło pięciu pracowników. Brak zabezpieczeń na wypadek trzęsienia ziemi spowodował (decyzją sądu) zamknięcie reaktora w 2006 r.

Japonia nie ma szczęścia do energetyki jądrowej. Druga największa awaria elektrowni atomowej w historii miała miejsce 11 marca 2011 r. u wybrzeży wyspy Honsiu na Pacyfiku, gdzie w tym czasie nastąpiło największe od 140 lat trzęsienie ziemi o sile blisko 9 stopni w skali Richtera. Potężna fala tsunami, jaka powstała w wyniku trzęsienia, zalała wybrzeże, powodując śmierć 15 891 osób, raniąc 6182 osoby i pozbawiając dachu nad głową 550 tys. osób. Za zaginione uznano 2584 osoby. Trzęsienie ziemi wywołało całą lawinę katastrof: od pożarów w rafineriach, po wyłączenie 4 z 54 reaktorów znajdujących się w 22 elektrowniach jądrowych. W elektrowni jądrowej Onagawa wybuchł pożar, który wkrótce ugaszono. Woda, która wdarła się do elektrowni jądrowej Fukushima, uszkodziła systemy chłodzenia. W reaktorach 1, 2 i 3 nastąpiło zatrzymanie przepływu chłodziwa, temperatura rdzeni gwałtownie wzrastała, wzrastało ciśnienie pary. Para wodna weszła w reakcję z cyrkonowymi obudowami prętów paliwowych. Powstały tlen i wodór – spowodowały wybuch wodoru w hali reaktora nr 1. Pomimo intensywnych wysiłków załogi nastąpiły eksplozje reaktora 3 i 4. W całej elektrowni zanotowano gwałtowny wzrost promieniowania. Do pomieszczeń z reaktorami wtłoczono wodę morską, a następnie słabo skażoną wypuszczano do oceanu. Największym problemem stał się jednak basen ze składowanymi tam odpadami paliw radioaktywnych. Na szczęście, w przeciwieństwie do tego, co się stało w Czarnobylu, stopione rdzenie reaktorów pozostały w obudowach zabezpieczających. Do dnia dzisiejszego elektrownia w Fukushimie pozostaje jednak wielkim problemem dla gospodarki i środowiska naturalnego Japonii.