Z elektrowniami atomowymi wiąże się mnóstwo mitów i nieuzasadnionych obaw. Wiele z nich zostało ujętych w filmie z 1979 roku pt. “Chiński syndrom”.

Młoda reporterka, Kimberly Wells (Jane Fonda), w czasie swojej pracy trafia na teren elektrowni atomowej, gdzie prowadzi nagranie kolejnego reportażu, w czasie którego o mały włos nie dochodzi do poważnego wypadku. Przez błędy obsługi reaktora prawie doszło odsłonięcia jego rdzenia i jego stopienia, co mogłoby skończyć się tzw. “chińskim syndromem”. Dodatkowo poznaje tam inżyniera, który opowiada, jak to zła firma oszczędzała na kluczowym elemencie systemu bezpieczeństwa – spoinach pomp. Oczywiście później następuje spisek mający uniemożliwić dzielnej reporterce ogłoszenie prawdy światu, a do awarii faktycznie dochodzi.

Wspomniany syndrom jest to sytuacja, w której stopiony rdzeń reaktora przetapia się przez zewnętrzną osłonę i fundamenty i wtapia się głęboko w grunt, tak głęboko, aby dotrzeć do Chin. Sam termin jest dowodem na to, że czarny humor jest nieodłączną częścią techniki jądrowej. Taka sytuacja jest oczywiście niemożliwa, możliwa jest za to sytuacja, w której w elektrowni atomowej dojdzie do jakiejś awarii. No to opowiedzmy sobie pokrótce o takich awariach i o tym, dlaczego za ten scenariusz powinna być jakaś kara.

Chciałbym, aby było jasne, iż przy projektowaniu tego rodzaju obiektów nie ma miejsca na żadną dowolność, a sam projekt musi uwzględniać różne możliwe awarie od minimalnych rozszczelnień aż po sytuację najgorszą z możliwych, tj. maximum credible accident (maksymalna awaria projektowa). Istnieje wiele typów reaktorów, skupmy się na najbardziej popularnych typu PWR (pressurized water reactor), czyli wodnych reaktorach ciśnieniowych.

fot. CC BY-SA 2.0

1.Blok reaktora 2. Komin chłodzący 3. Reaktor 4. Pręty kontrolne 5. Zbiornik wyrównawczy ciśnienia 6. Generator pary 7. Zbiornik paliwa 8. Turbina 9. Prądnica 10. Transformator 11. Skraplacz 12. Stan gazowy 13. Stan ciekły 14. Powietrze 15. Wilgotne powietrze 16. Rzeka 17. Układ chłodzenia 18. I obieg 19. II obieg 20. Para wodna 21. Pompa.

Jak wygląda wytwarzanie energii od strony technicznej, wspomniałem we wpisie Czarnobyl – 3. We wnętrzu reaktora. W przypadku reaktorów PWR moderatorem i jednocześnie czynnikiem roboczym jest woda pod ciśnieniem kilkunastu MPa, która, podgrzewana reakcjami jądrowymi zachodzącymi w paliwie, krąży w obiegu pierwotnym – trafia do wytwornicy pary, gdzie oddaje ciepło wodzie krążącej w obiegu wtórnym pod niższym ciśnieniem, która wytwarza parę napędzającą turbiny. Para trafia do skraplacza i następnie znów do wytwornicy. Jakie ma tu znaczenie wspomniane ciśnienie? Spójrzmy na coś znanego szerzej jako diagram fazowy:

fot. domena publiczna.

Jak widać, twierdzenie o tym, że woda zaczyna wrzeć temperaturze stu stopni Celsjusza, jest nie do końca precyzyjne. Woda krążąca w obiegu pierwotnym reaktora ciśnieniowego pozostaje cieczą w znacznie wyższej temperaturze z uwagi na ciśnienie kilkunastu MPa i właśnie z uwagi na niższe ciśnienie wody w obiegu wtórnym może tam powstawać para.

W reaktorach tego typu nie ma możliwości, aby doszło do katastrofy choćby podobnej do takiej, o której każdy myśli odruchowo, czyli do Czarnobyla.

Kluczowa dla bezpieczeństwa jest możliwość kontrolowania reakcji i wydajnego odbierania powstającego w ich wyniku ciepła. Obsługa tamtego reaktora na własne życzenie pozbawiła się wiedzy o tym, co się dzieje we wnętrzu reaktora, i wprowadziła go w stan skrajnie niestabilny. Projekt reaktora nie uwzględniał takiej sytuacji, a w jej wyniku system odbioru ciepła zadziałał w sposób nieprzewidziany; na domiar złego reaktora nie dało się bezpiecznie wyłączyć z uwagi na błędną konstrukcję prętów bezpieczeństwa. Wiśnienką na torcie tego festiwalu niekompetencji okazało się późniejsze śledztwo, które wykazało, że awaryjny układ chłodzenia i tak nie poradziłby sobie ze schłodzeniem reaktora z uwagi na zbyt małą pojemność. Reaktory PWR są projektowane według zupełnie innej filozofii: mówi wam coś pojęcie “obrona w głąb”?

Jest to najważniejsza zasada przy projektowaniu takich obiektów. Zakłada ona, że skoro coś może się popsuć, to prędzej czy później to się stanie, a co gorsza, nikt tego nie zauważy od razu. Prawda, że pełne to optymizmu? Jednak takie założenie prowadzi do bardzo konstruktywnych wniosków: skoro “coś” może się popsuć to dobrze by było, aby miało małe szanse się zepsuć, nie psuło się na raz i aby stan można było monitorować. Zakłada to wykluczenie różnych materiałów przy konstrukcji np. łatwopalnych, oraz nadmiarowość różnych systemów sterowania oraz czujników. W miejscu, w którym wystarczą np. dwa, montuje się sześć lub osiem; jeśli wystarczy jedna rura o określonej średnicy, to montuje się pięć i to jeszcze tak, by biegły różnymi ścieżkami i uszkodzenie z jednej strony nie niszczyło całego systemu. Reaktor w razie konieczności da się wyłączyć błyskawicznie, procedura znana jako SCRAM, polegająca na pełnym włożeniu prętów bezpieczeństwa, w reaktorach tego typu trwa ok. 1,5–2 s. Następnie należy wyłącznie chłodzić reaktor, tj. zapewnić swobodny przepływ wody w obu obiegach. Wszystkie systemy sterowania czy to reaktorem, czy pompami i zaworami bezpieczeństwa oraz same pręty, pompy, zawory, rury etc. są nadmiarowe, rozmieszczone w różnych miejscach i niezależne od siebie. I chciałbym, aby to teraz dobrzy wybrzmiało: projektanci takich reaktorów dobrze wiedzą, że to wszystko może zawieść, i to akurat, gdy będzie potrzebne. Stąd kolejną częścią tej filozofii jest zasada “fail safe”, która mówi, że każde uszkodzenie powinno sprawiać, że reaktor przejdzie w stan bezpieczniejszy.

Dopóki można sterować reaktorem, wprowadzając lub wysuwając pręty kontrolne, dopóty możemy kontrolować reakcje w jego wnętrzu. Jeśli z jakiegokolwiek powodu musimy reaktor wyłączyć, to należy tam po prostu umieścić wszystkie pręty kontrolne – ich wysokość kontrolują odpowiednie siłowniki elektryczne. Co jednak, jeśli wszystkie systemy sterowania nawalą, a dodatkowo zabraknie prądu do sterowania z systemów awaryjnych? Reaktory tego typu są zaprojektowane tak, że wspomniana procedura SCRAM odbywa się bez udziału operatora. Pręty kontrolne są zamontowane na silnych sprężynach oraz elektromagnesach, a więc opadną zarówno pod wpływem sprężyny, jak i grawitacji, która zadziała na pewno. Warto dodać w ramach ciekawostki, że SCRAM jest często rozwijane jako Safety Control Rod Axe Man co miało być rzekomym pseudonimem Normana Hilberry’ego. Był to człowiek, który podczas eksperymentów z pierwszym na świecie reaktorem Chicago Pile-1 miał za zadanie w razie kłopotów przeciąć toporkiem linę, na której wisiały kadmowe pręty kontrolne. Sam Hilberry twierdził, że takie wyjaśnienie usłyszał wiele lat później. Genezy należy raczej szukać w określeniu “scram rods”, jakim nazywał te kadmowe pręty ich konstruktor Volney Wilson.

Oczywiście reaktor nawet po wyłączeniu należy chłodzić nawet kilka miesięcy z uwagi na powstające w jego wnętrzu “ciepło powyłączeniowe”. Skąd się bierze owo ciepło, skoro zatrzymaliśmy reakcje? Zatrzymaliśmy ale nie wszystkie; w takim reaktorze jest nadal mnóstwo produktów wcześniejszego rozpadu, które również będą się rozpadać, generując energię. Ilość takiego ciepła będzie maleć w czasie, jednak nadal są to ogromne ilości, z którymi coś należy zrobić, i normalnie nie ma z tym kłopotu. Co jednak, gdy taki kłopot się pojawi? Bo na przykład główna rura naraz pęknie z dwóch stron na całym obwodzie – niby mało możliwe, bo rury jednak tak nie pękają, ale właśnie taka sytuacja jest uwzględniona w projektach reaktora PWR jako najgorsza z możliwych zakładanych sytuacji. Wiąże się to z natychmiastowym spadkiem ciśnienia, co spowoduje wrzenie wody i jej parowanie. Co się dzieje, gdy cała woda się wygotuje, wie każdy, kto kiedyś spalił czajnik.

Na takie sytuacje przewidziano układ chłodzenia, którego rolą jest zalanie reaktora i chłodzenie go przynajmniej tak długo, aby jego temperatura nie groziła uszkodzeniem z powodu przegrzania. Układ taki składa się zawsze z dwóch części, które działają od siebie niezależnie. Pierwszą z nich jest część bierna – są to zbiorniki wypełnione wodą zamknięte zaworami zwrotnymi, tj. takimi, które pozostają zamknięte tak długo, jak długo ciśnienie w obiegu pierwotnym jest większe niż w zbiorniku. Jeśli spadnie, zbiorniki otwierają się samoczynnie i bez konieczności żadnej ingerencji. Drugą częścią jest część aktywna, zawierająca układ pomp mogących zapewnić wydajny przepływ wody. Każda z tych części istnieje w kilku kopiach i każda może samodzielnie spełnić stawiane przed nią zadanie.

I nawet jeśli to wszystko zawiedzie, to samo paliwo jest pakowane tak, aby spowodować jak najmniej szkód: występuje w postaci osobno pakowanych pastylek, z których każda jest pakowana w odpowiednią koszulkę; sam reaktor jest otoczony odpowiednią osłoną biologiczną, która jest umieszczana pod obudową, która jest projektowana tak, by wytrzymać np. uderzenie samolotu pasażerskiego.

Jak do tej pory tylko raz w historii mieliśmy szansę sprawdzić, czy to wszystko zadziała. I co ciekawe – zadziałało nad wyraz dobrze, choć zawiódł system bezpieczeństwa, a obsługa popełniła mnóstwo błędów. Co jest sporą ironią losu ten “raz” zdarzył się kilkanaście dni po premierze filmu “Chiński syndrom”. Mowa tu o wypadku, który zdarzył się w elektrowni Three Mile Island 28 marca 1979, gdy faktycznie doszło do częściowego stopienia rdzenia reaktora typu PWR. Jak do tego doszło? Wróćmy na chwilę do schematu działania reaktora PWR, a konkretnie do numeru 5, czyli zaworu mającego za zadanie wyrównywać ciśnienie w obiegu pierwotnym. W tej elektrowni zawór po wyrównaniu ciśnienia z jakiegoś powodu nie zamknął się, choć czujnik wysłał sygnał świadczący o jego zamknięciu; czujnik mechaniczny został pominięty w projekcie. Skoro pozostał otwarty, to ciśnienie we wnętrzu tego obiegu cały czas spadało. Teraz spójrzcie na diagram fazowy i odpowiedzcie na pytanie, co się dzieje, jeśli temperatura pozostaje stała a ciśnienie spada. Tak jest! Woda zaczęła wrzeć i parować przez otwarty zawór. Obsługa początkowo mylnie zinterpretowała odczyty i nie podjęła odpowiednich działań. Gdy zaczęto działać, to okazało się, że pompy w układzie rezerwowym nie mogą podjąć pracy, bo po poprzednich testach zapominano otworzyć ich zawory. To naprawiono szybko i po ok. 8 minutach pompy rozpoczęły pracę, jednak para nadal uchodziła przez otwarty zawór. Po około dwóch godzinach rdzeń reaktora zaczął się odsłaniać, a skoro nie odprowadzano z niego ciepła to również rozgrzewać. W reaktorach tego typu nie ma możliwości, aby się zapalił, więc zaczął się topić. Po około 9 h obsługa odczytała stan reaktora prawidłowo i natychmiast zalała go wodą, niedługo później jego temperatura zaczęła spadać.

Historia tego wypadku pokazała, że nawet pomimo tego, że nie zadziałał ani system bezpieczeństwa, ani czujnik, ani obsługa, to i tak utrzymano kontrolę nad reaktorem, a samo skażenie ograniczyło się do wnętrza bloku reaktora. W przypadku Czarnobyla, gdzie zastosowano zupełnie inną doktrynę, skutki okazały się o wiele bardziej dotkliwe.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.