Ce s-a intamplat la FUKUSHIMA … pe intelesul tuturor !!!

Update 16.03.2011, 08:00Pentru că site-ul Agenției Internaționale de Energie Atomică (IAEA) mai dă rateuri, am creat o pagină cu update-urile oficiale, în cazul în care cineva vrea să le consulte când site-ul oficial IAEA nu funcționează.

Update 15.03.2011, 17:55: Traducerea de mai jos a fost revizuită și refăcută, conform ultimei variante a textului lui  Josef Oehman, disponibilă aici (copie de siguranță) și aici(sursa originală). Variantele precedente ale textului, din data de 13 martie, pot fi găsiteaici (RO) și aici (EN).

Update 15.03.2011, 11:30Câteva linkuri utile:
Pagina IAEA (și mirror-ul local) dedicată acestui eveniment, cu update-uri oficiale (IAEA – Agenția Internațională pentru Energie Atomică).
Radiation risks and realities, document EPA (Agenția de Protecție a Mediului din SUA).
Stream video NHK World, televiziune japoneză de știri în limba engleză.
Simulator de reactor nuclear BWR, cu tot cu manual, disponibil gratuit.

Update 14.03.2011, 08:30: Articolul se referă la situația primului reactor din data de 12.03.2011, dar explicația și principiile prezentate sunt valabile și pentru incidentele următoare, de la aceiași centrală sau de al alte centrale nucleare de tip BWR).


(Textul de mai jos este o traducere după articolul scris de Josef Oehman, cercetător la MIT, Boston. Puteți citi versiunea originală aici. Mi-am permis să ilustrez articolul cu câteva imagini relevante.)

Înainte să mergem mai departe, va fi necesar să trecem în revistă câteva aspecte fundamentale. 

Construcția centralelor atomice de la Fukushima

Centralele de la Fukushima sunt de tipul BWR (Boiling Water Reactors). Principiul pe care se bazează aceste reactoare este asemănător cu o oală sub presiune. Combustibilul nuclear încălzește apa, apa fierbe și creează abur, aburul pune în mișcare turbinele care produc electricitate, apoi aburul este răcit și acesta condensează din nou, fiind refolosit. Dispozitivul sub presiune funcționează în mod normal la o temperatură de 285 grade Celsius.

Combustibilul nuclear este oxidul de uraniu, un material ceramic cu un punct de topire destul de mare, în jurul valorii de 2800 de grade Celsius. Combustibilul este produs în formă de capsule de mărimea 1cm x 1cm.  Aceste piese sunt puse într-un tub mai mare, confecționat dintr-un aliaj denumit zircaloy, care are un punct de topire la 1200 de grade (topire cauzată de oxidarea autocatalitică a apei). Acest ansamblu constituie o bară de combustibil. Aceste bare sunt apoi grupate în ansambluri combustibile și inserate în reactor. Toate aceste pachete formează zona activă a reactorului.

Exemplu de bară de combustibil nuclear (plus detalii)

Matricea de oxid ceramic este prima barieră protectoare care reține o mare parte din produșii de fisiune produși în urma reacției nucleare a uraniului. Teaca de zircaloy reprezintă al doilea strat (compartiment) izolator. El separă combustibilul radioactiv de restul reactorului.

Miezul reactorului este apoi plasat în vasul sub presiune. Acest vas reprezintă al treilea strat (compartiment) izolator, rezistând până la presiuni de 7MPa (aproximativ 1000 psi) care pot apărea în cazul unui accident.

Întregul sistem de vas sub presiune, țevi, pompe, răcitor (apă) sunt protejate de un al patrulea strat izolator, confecționat din beton și oțel extrem de rezistent și închis ermetic. Al treilea strat izolator a fost proiectat, construit și testat pentru un singur scop: să susțină pentru un termen nedefinit, o topire totală a miezului reactorului. Motiv pentru care o structură din beton este turnată în jurul acestui sistem.

Toate aceste sisteme sunt plasate în clădirea reactorului, în interiorul căreia de obicei se păstrează o presiune mai scăzută, pentru a nu exista scurgeri în afara acesteia, dar clădirea în sine nu oferă protecție reală împotriva radiației.

Aspecte fundamentale ale reacțiilor nucleare

Combustibilul de uraniu generează căldură prin fisiune nucleară. Atomii mari și grei de uraniu se “rup”  în doi atomi mai mici, proces ce generează energie (căldură) plus câțiva neutroni (una din particulele din interiorul unui atom). Când un neutron lovește un alt atom de uraniu, acesta se “rupe” (fisionează), generând căldură și mai mulți neutroni și tot așa. Aceasta este ceea ce se numește o reacție în lanț. În timpul operațiunilor normale, numărul de neutroni din miezul reactorului este stabil (nu se modifică) și reactorul este într-o stare critică (dar normală – n. t.)

Schema reacției în lanț ce are loc în barele de combustibil

Trebuie menționat faptul că un reactor nuclear nu poate exploda niciodată ca o bombă nucleară. În cazul incidentului de la Cernobîl, explozia a fost cauzată de acumularea unei presiuni prea mari, urmată de o explozie de hidrogen și penetrarea tuturor straturilor de protecție ale reactorului, împrăștiind material radioactiv în mediu (a fost practic o “bombă murdară” și nu o explozie nucleară). de reținut, la Cernobîl nu exista structura de beton turnată în jurul reactorului. De ce un astfel de accident nu se va întâmpla în Japonia, veți afla citind mai departe.

Pentru a controla reacția nucleară în lanț, cei ce controlează reactorul folosesc așa-numitele bare de control. O bară de control absoarbe neutroni. În timpul operațiunilor normale într-un reactor BWR, barele de control sunt folosite pentru a menține reacția în lanț și reactorul în zona critică. Barele de control sunt folosite și pentru a reduce puterea reactorului de la 100% până la 7% (căldură reziduală).

Căldura reziduală este cauzată de dezintegrarea radioactivă a produselor fisionabile. Dezintegrarea radioactivă este un proces prin care elementele de fisiune se stabilizează, emițând energie sub forma de mici particule (alfa, beta, gama, neutroni, etc). Există o multitudine de produse de fisiune care sunt create în reactor, inclusiv cesiu și iod. Căldura reziduală scade în timp, după ce reactorul este închis și trebuie înlăturată folosind sistemul de răcire pentru a preveni supraîncălzirea barelor de combustibil nuclear, lucru ce duce în final la eliberarea de substanțe radioactive. Menținerea sistemelor de răcire și eliminarea căldurii reziduale este principala problemă cu care se confruntă operatorii reactoarelor avariate din Japonia din acest moment.

Este important de menționat că mulți din acești produși de reacție (care produc căldură reziduală) devin foarte repede infoensivi mai rapid decât pronunțarea cuvântului R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D. Alții se descompun mai încet, spre exemplu cesiu, iod, stronțiu sau argonul.

Ce s-a întâmplat la Fukushima? (până în 12 martie 2011)

Voi încerca să rezum următoarele. Cutremurul care a lovit Japonia a fost de câteva ori mai puternic decât cutremurul pentru care a fost proiectată centrala. Scara Richter este una logaritmică, astfel că diferența dintre un cutremur de 8.2 – valoare luată în calcul la construcția centralei – și 8.9 este un factor de 5 și nu 0.7).

Când cutremurul de 8.9 grade a avut loc, centrala nucleară s-a oprit automat. În câteva secunde de la începutul cutremurului, barele de control au fost inserate în miez și reacția nucleară a fost oprită, urmând ca sistemul de răcire să transporte afară din sistem căldura degajată. În acest moment, sistemul de răcire trebuie să evacueze aproximativ 7% din întreaga căldură produsă în mod normal de reactor.

Cutremurul a distrus sursa externă de electricitate pentru reactorul nuclear. Acest eveniment reprezintă unul din cele mai serioase accidente de care poate avea parte o centrală nucleară. Reactorul și sistemele sale de siguranță sunt proiectate astfel încât să facă față acestui tip de accident, prin includerea unor sisteme suplimentare care să mențină în funcțiune pompele sistemului de răcire. Centrala fiind închisă, aceasta nu mai poate produce energie electrică cu care să fie alimentat sistemul de răcire.

Timp de o oră, un set de generatoare de curent au funcționat și au asigurat electricitatea necesară. Apoi a venit valul tsunami, mult mai mare decât proiectanții centralei au luat în calcul, val ce a inundat generatoarele, care au devenit nefuncționale.

Unul din aspectele fundamentale care se urmărește când se proiectează o centrală nucleară este așa numită filosofie “Defense in Depth” (“apărare în trepte”). Această abordare generează un proiect al centralei care să reziste unor catastrofe serioase chiar și în cazul în care unele sisteme cedează. Un tsunami care să oprească generatoarele secundare de electricitate este un astfel de scenariu, dar valul din 11 martie a fost peste orice așteptări. Pentru a diminua efectele unei astfel de catastrofe, inginerii au proiectat o linie suplimentară de apărare, prin înglobarea sistemelor importante într-o structură de beton rezistentă.

Când generatoarele Diesel nu au mai fost disponibile, reactorul a trecut pe puterea generată de bateriile de urgență. Aceste baterii sunt un fel de backup al backup-ului, asigurând funcționarea sistemului de răcire al reactorului pentru 8 ore. Și așa s-a întâmplat.

În cele 8 ore, a trebuit găsită o altă sursă de energie care să fie conectată la centrală. Rețeaua energetică națională nu a fost disponibilă din cauza cutremurului. Generatoarele Diesel au fost măturate de tsunami. Așa că au fost aduse generatoare mobile.

Din păcate, începând de la acest punct, lucrurile au început să meargă prost pentru centrală. Generatoarele extern nu au putut fi conectat la centrală din cauză că acestea nu se potriveau. Când bateriile s-au consumat, căldura reziduală nu a mai putut fi transportată în afara reactorului. În acest moment, personalul centralei a început să urmeze procedurile standard pentru astfel de situații de urgență. Aceste lucruri fac parte din exercițiile de rutină de care au parte angajații centralei.

Abia acum a început să se vorbească despre posibilitatea topirii miezului deoarece dacă sistemul de răcire nu ar fi pus în funcțiune, miezul s-ar fi topit după câteva zile și ar fi rămas în containerul de beton. Termenul “topit” are o definiție vagă. Un termen mai corect ar fi “o cedare a barelor de combustibil”. Acest lucru se întâmplă înainte de topirea combustibilului și rezultă din factori mecanici, chimici sau termici (barele devin prea calde, sunt prea oxidate sau supuse unor presiuni prea mari).

În acest punct, topirea era un eveniment îndepărtat, principalul scop al echipei din centrală era răcirea miezului pentru a se asigura că ansamblul de bare de combustibil rămâne intact și operațional cât mai mult timp.

Deoarece răcirea miezului reactorului este un lucru atât de important, acesta are un număr mare de posibilități de răcire. Până în acest moment nu se știe exact care din acestea a cedat și care nu.

Deoarece lipsa curentului electric a dus la imposibilitatea de mai răci miezul, inginerii au trebuit să folosească orice metode aveau la îndemână pentru a scăpa de căldura reziduală din reactor. Însă atâta timp cât se produce mai multă căldură decât poate fi evacuată, presiunea de vapori crește și tot mai multă apă se transformă în aburi. Prioritar este în acest moment păstrarea unei temperaturi mai mici de 1200 de grade, pentru ca presiunea să aibe un nivel acceptabil (și pentru menținerea integrității elementelor combustibile -n.t.). Pentru ca presiunea să rămână la acest nivel acceptabil, aburul împreună cu alte gaze din reactor, trebuiau eliberate din când în când. Acest lucru este extrem de important în cazul unui accident, așa că vasul de presiune al reactorului este prevăzut cu o serie de valve prin care acesta poate elibera abur. Astfel, pentru a proteja vasul și structura din jurul său, operatorii au trebui să elibereze abur din când în când, pentru a controla presiunea.

După cum am precizat, aburul împreună cu alte gaze au fost ventilate. Unele gaze reprezintă produși ai fisiunii nucleare, dar cantitatea lor este foarte mică. În timpul ventilației, o cantitate mică de gaz radioactiv a fost eliberată în atmosferă. Riscul este considerat unul minor față de eventualele consecințe ale creșterii presiunii și incidentul în sine nu a afectat vreun angajat al centralei.

Momentul primei explozii de la centrala de la Fukushima

Între timp, au fost aduse generatoare de electricitate, însă apa transformată în abur și ventilată a scăzut abilitatea de a răci restul sistemelor. La un moment dat în timpul procedurilor de ventilație, nivelul apei a scăzut sub nivelul vârfurilor tuburilor cu combustibil, unele din acestea ajungând la temperaturi mai mari de 1200 de grade, inițiind astfel o serie de reacții între aliajul zircaloy și apă. Procesul de oxidare formează hidrogen, care se amestecă cu aburul care este ventilat. Acest proces este cunoscut și a fost anticipat, însă cantitatea de hidrogen formată a fost necunoscută deoarece nu se cunoștea exact temperatura din reactor sau nivelul apei. Hidrogenul fiind un gaz ușor inflamabil, amestecat cu aerul într-o proporție oarecare, acesta va reacționa cu oxigenul din aer, producând o explozie. Într-un anume moment din timpul ventilării, hidrogenul acumulat s-a amestecat cu aerul și a avut loc prima explozie de la reactorul de la Fukushima. Explozia a avut loc în afara containerului de protecție din beton, dar în interiorul clădirii reactorului (care nu îndeplinește un rol în securitatea instalațiilor). O explozie similară s-a întâmpla și la reactorul 3. Explozia a distrus acoperișul și zidurile clădirii reactorului, dar nu a avariat containerul de beton și nici sistemele de siguranță ale centralei.

Din moment ce unele bare de combustibil au depășit 1200 de grade, unele din ele au fost avariate. Materialul nuclear este intact, dar startul de zircaloy a început să cedeze. În acest moment, unele produse radioactive (cesiu, ion, etc) au început să se amestece cu apa și cu aburul din reactor. Mici cantități de cesiu și iod au fost detectate în aburul ventilat în atmosferă.

Deoarece posibilitățile de răcire ale reactorului au rămas limitate iar nivelul apei continua să scadă, inginerii au decis să injecteze în reactor apă de mare amestecată cu acid boric, borul fiind un element care este cunoscut pentru proprietățile sale de absorbție a neutronilor. Această operațiune s-a făcut pentru ca nivelul de apă din reactor să fie suficient de mare încât toate tuburile să fie acoperite cu apă. Chiar dacă reactorul a fost oprit, acidul boric are și un rol secundar de a capta iodul sau cesiul care a mai rămas în reactor, pentru ca aceste produse secundare să nu mai ajungă în atmosferă.

Apa folosită pentru sistemul de răcire este apă purificată și demineralizată. Motivul pentru care se folosește apă pură este pentru a micșora efectele de coroziune din timpul operațiunilor normale ale unui reactor. Injectarea de apă de mare va necesita un timp mai îndelungat pentru curățarea reactorului, ulterior operațiunilor de oprire.

Acest procedeu a scăzut temperatura tuburilor de combustibil, până la un nivel care nu mai era periculos. Deoarece reactorul este închis de câteva zile deja, procesul de dezintegrare nucleară este la un nivel mult mai scăzut, astfel că presiunea în centrală a fost stabilizată și ventilarea de abur în atmosferă nu mai este necesară.

Update – 14 martie 2011, 20:15 EST

Reactoarele 1 și 3 sunt în prezent într-o situație stabilă, potrivit unui comunicat de presă al companiei TEPCO, însă nu se cunoaște încă gradul de avarie al tuburilor cu combustibil. Nivelul de radiație de la Fukushimaa scăzut la 321 microSv (23.1 milirem) în data de 14 martie, ora 14:30 ora locală.

Update 14 marie 2011, 22:55 EST

Detaliile despre evenimentele de la reactorul 2 nu sunt încă suficient cunoscute. Nivelul de radiație a crescut, dar nu se cunoaște încă exact valoarea lui.

Anunțuri

2 gânduri despre „Ce s-a intamplat la FUKUSHIMA … pe intelesul tuturor !!!

  1. Pingback: reactii adverse la antibiotice | medicamente de sinteza | efecte secundare | antibiotice | fluconazol | diflucan

Comentariile nu sunt permise.