Tsunami atomowego lęku

Już niedługo zapadnie decyzja o wyborze lokalizacji i producenta elektrowni jądrowej w Polsce. Oferowane rozwiązania to elektrownie najnowszej, trzeciej generacji. Różnią się one pomiędzy sobą konstrukcją, rodzajem zabezpieczeń przed awarią, a nawet filozofią zmniejszania ryzyka awarii.

Dotychczas Polska Grupa Energetyczna podpisała umowy o współpracy z trzema konsorcjami - i to najprawdopodobniej któreś z nich zajmie się budową polskiego reaktora jądrowego.

Aktywne czy pasywne?

Pierwszym z nich jest francuska firma AREVA, specjalizująca się w budowie reaktora nazwanego EPR (European Pressurized Reactor). Jego projekt spełnia niezwykle restrykcyjne wymagania bezpieczeństwa EUR - European Utility Requirements. Obliczane zgodnie z tymi wytycznymi prawdopodobieństwo awarii rdzenia reaktora musi być mniejsze niż jedna awaria na sto tysięcy lat.

Główną ideą przyświecającą konstruktorom tego reaktora było zapewnienie bezpieczeństwa poprzez zwielokrotnienie systemów zabezpieczeń tak, aby w przypadku awarii jednego z nich pracę mogły podjąć pozostałe. W wewnętrznej komorze reaktora znajdują się aż cztery niezależne od siebie systemy chłodzenia. Gdyby doszło do awarii któregokolwiek z nich, każdy z pozostałych jest w stanie samodzielnie obniżać temperaturę reaktora. Szczelna betonowa powłoka otaczająca zbiornik reaktora ma przeciwdziałać uwolnieniu do otoczenia produktów promieniotwórczych pochodzących z reaktora. W przypadku zagrożenia pochodzącego z zewnątrz, reaktor chroni druga, żelbetowa kopuła. Przestrzeń, w której znajduje się reaktor, jest więc ograniczona podwójną osłoną o łącznej grubości 3 m. To prawdziwy schron. Jej odporność jest tak wielka, że budynek reaktora zdolny jest wytrzymać bezpośrednie uderzenie dużego samolotu pasażerskiego lub wojskowego.

Reaktory nazywane pasywnymi, oferowane przez firmy Westinghouse (reaktor AP-1000) i General Electric Hitachi (reaktor ESBWR), opierają się na zupełnie innym podejściu do zapewnienia bezawaryjności działania elektrowni jądrowej. Wychodząc z założenia,

że zwiększanie liczby systemów bezpieczeństwa tylko komplikuje cały układ, postanowiono maksymalnie go uprościć. Ponadto, zamiast polegać na urządzeniach, które mogą się zepsuć, zaprzęgnięto do pracy tak podstawowe zjawiska fizyczne jak grawitacja i konwekcja. Wiemy już, że przyczyną awarii w Fukushimie było zalanie przez falę tsunami generatorów prądu napędzanych silnikami Diesla. W reaktorach pasywnych zdarzenie takie nie mogłoby mieć miejsca z bardzo prostego powodu: woda potrzebna do awaryjnego chłodzenia reaktora nie musi być pompowana, ponieważ zbiornik z wodą znajduje się powyżej reaktora i może ona schładzać reaktor, spływając po jego obudowie.

Proces ten będzie zachodził nawet po ustaniu dostaw prądu. Zapas wody wystarcza na trzy doby, co daje czas na przywrócenie normalnego funkcjonowania elektrowni. Jeżeli jednak po tym czasie nie zdołano by uruchomić właściwego chłodzenia reaktora, zawsze można uzupełnić wodę w zbiorniku, zapewniając sobie kilka kolejnych dni na usuwanie awarii.

Eksperci zgadzają się, że trzy wymienione typy reaktorów są do siebie bardzo zbliżone, gdy chodzi o bezpieczeństwo funkcjonowania. Są jednak pomiędzy nimi istotne różnice, które mogą zaważyć na wyborze. - Z punktu widzenia zagrożeń związanych z normalnymi awariami uważam, że te trzy wymienione typy są równie bezpieczne - mówi prof. Andrzej Strupczewski, przewodniczący Komisji Bezpieczeństwa Jądrowego. - To, czy metoda zapewnienia ochrony przed skutkami awarii jest aktywna czy pasywna, nie ma istotnego znaczenia. Moim głównym przedmiotem troski jest ochrona przed działaniami terrorystycznymi. Według mnie francuski EPR jest pod tym względem najlepszym wyborem. Ma potężną obudowę, dużo większą niż wszystkie pozostałe. Zewnętrzna ściana tej elektrowni zbudowana jest z grubego na 1,8 m żelbetu oddzielonego od ściany wewnętrznej przerwą grubości 1,2 m. Dla porównania osłona reaktora AP-1000 to 90 cm.

Niezależnie jednak od wyboru typu reaktora pozostają pytania o ich bezpieczeństwo. Czy zatem mamy się czego obawiać? Czy możliwa jest w Polsce katastrofa nuklearna podobna do tej, jaka nastąpiła w Fukushimie lub Czarnobylu? - Gdyby taki reaktor, jaki będzie budowany w Polsce, czyli reaktor trzeciej generacji, znajdował się w miejscu obecnej elektrowni w Fukushimie, nie wystąpiłby żaden z istniejących tam problemów - uspokaja prof. Strupczewski. - Każdy z nich, pomimo odmiennej konstrukcji, wytrzymałby taką sytuację kryzysową, jaka ma miejsce teraz w Japonii.

Gdyby zabrakło prądu

Trudno sobie wyobrazić falę tsunami przetaczającą się przez polskie wybrzeże. Nie grożą nam trzęsienia ziemi o sile spotykanej w Japonii. Nie zapominajmy jednak, że bezpośrednią przyczyną awarii w Fukushimie nie były wstrząsy tektoniczne. Budynki reaktorów je przetrwały, ich obudowa nie utraciła szczelności, a awaryjne zasilanie chłodzenia włączyło się zgodnie z przewidywaniami.

Wydarzyło się coś innego: otaczająca reaktor infrastruktura uległa takiemu zniszczeniu, że doszło do przerwy w dostawie prądu, w związku z czym utracono możliwość schładzania reaktora. Od tego momentu kolejne zabezpieczenia padały jak kostki domina. Nie terroryści, trzęsienia ziemi i powodzie są największym zagrożeniem dla elektrowni jądrowej, lecz... wstrzymanie dostaw prądu.

Reaktor jądrowy produkujący energię elektryczną jest jednocześnie niezwykle wrażliwy na jej brak. - Nie da się stworzyć takiego reaktora, w którym pomimo braku zasilania przez kilka dni i bez interwencji człowieka, można wykluczyć jego uszkodzenie. Można jednak zagwarantować, że nawet w przypadku najgorszego możliwego uszkodzenia jego skutki nie będą groźne dla ludzi - podkreśla prof. Grzegorz Wrochna, dyrektor Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku.

Także i nasz kraj, gdy już w przyszłości będzie posiadaczem kilku elektrowni jądrowych, może stanąć któregoś dnia w obliczu długotrwałych wyłączeń prądu. Wystarczy sobie wyobrazić scenariusz, w którym w wyniku oblodzenia i surowej zimowej pogody zniszczeniu ulegają przesyłowe linie energetyczne zasilające elektrownię atomową. To sytuacja wcale nie tak rzadka w naszej strefie klimatycznej. Czy elektrownie jądrowe są przygotowane na taką ewentualność? - Wszystkie elektrownie jądrowe, również i te japońskie, były i są projektowane na sytuacje, w których sieć elektryczna zawodzi - mówi prof. Strupczewski. - Jest to podstawowe założenie. Podczas przewidywania każdej awarii zakładamy, że sieć elektryczna przestaje dostarczać prąd.

Co zatem dzieje się w elektrowniach jądrowych, które doświadczają wyłączenia prądu? Przede wszystkim reaktor zostaje automatycznie wyłączony. Reakcja w reaktorze przestaje zachodzić, jego wnętrze jest jednak bardzo gorące i stygnąć będzie powoli przez wiele tygodni wymagających intensywnego chłodzenia. Od tej chwili schładzanie reaktora jest najwyższym priorytetem załogi elektrowni i wszystkie działania koncentrują się na zapewnieniu obiegu wody w reaktorze. Na uruchomienie procedur awaryjnych czasu nie jest zbyt wiele. - Jeżeli nie ma innej awarii, a tylko zanik zasilania elektrycznego, mamy około dwóch godzin, zanim cokolwiek złego zacznie się dziać w rdzeniu reaktora - opowiada prof. Strupczewski. - Po tym czasie temperatura wewnątrz reaktora wzrasta na tyle, że ze zgromadzonej tam wody zaczyna się wytwarzać para.

Raz na sto tysięcy lat

W elektrowniach jądrowych stworzono kilka uzupełniających się poziomów zabezpieczeń. Pierwszy z nich to generatory prądu zasilane spalinowymi silnikami Diesla. To one jako pierwsze uruchamiają się w chwilę po odcięciu zasilania dla elektrowni. Zapewniają awaryjne źródło energii dla pomp chłodzących reaktor. Aby zwiększyć niezawodność systemu zabezpieczeń, buduje się zwykle trzy lub cztery takie generatory. Praca tylko jednego z nich wystarcza, by zapewnić obieg chłodzenia w reaktorze. Umieszczone są one w odrębnych, oddalonych od siebie budynkach. Podobnie rzecz się ma z paliwem, które je zasila. Cztery generatory to także cztery niezależne zbiorniki ropy naftowej. W ten sposób zmniejsza się ryzyko zniszczenia wszystkich jednocześnie, gdyby np. w elektrownię uderzył samolot.

Co się jednak wydarzy, gdy żaden z generatorów nie wystartuje, albo wszystkie zostaną uszkodzone? To sytuacja mało prawdopodobna, ale - jak dowiodły wydarzenia w Japonii - możliwa. Procedury ochrony reaktora przed przegrzaniem przewidują jednak i taką ewentualność. Tym dodatkowym zabezpieczeniem są po prostu mobilne generatory prądu z silnikami Diesla. Znajdują się one na terenie elektrowni, mogą więc zostać sprowadzone i podłączone do istniejących zbiorników z paliwem w bardzo krótkim czasie.

Załóżmy jednak, że na skutek sabotażu one także nie mogą zostać uruchomione. Specjaliści od energetyki jądrowej przygotowani są i na taką ewentualność.

Od połowy lat 90. we wszystkich elektrowniach w Europie masowo zaczęto instalować dodatkowe zabezpieczenia na wypadek ciężkiej awarii. Wprowadzono wtedy kolejny poziom obrony przed utratą zasilania: turbiny gazowe wytwarzające prąd, oraz bezpośrednie połączenie z najbliższą elektrownią wodną. Turbina gazowa, czyli silnik napędzany rozprężającym się gazem, może równie dobrze wytwarzać energię elektryczną jak silnik Diesla.

Najlepszym chyba rozwiązaniem dla elektrowni atomowej jest zapewnienie bezpośredniego połączenia elektrycznego drogą podziemną z najbliższą elektrownią wodną. W przypadku awarii zasilania elektrownia wodna, jako niezależna od dostaw gazu czy węgla, jest w stanie bardzo szybko dostarczyć prąd. Przykładem kraju stosującego takie rozwiązanie jest Ukraina, gdzie na cztery elektrownie atomowe trzy mają bezpośrednie połączenie z elektrowniami szczytowo-pompowymi.

Gdyby jednak z jakichś powodów mobilne generatory się nie pojawiały, turbiny gazowe odmówiły posłuszeństwa, a elektrownia wodna przestała funkcjonować, przywrócenie cyrkulacji chłodzącej reaktor staje się niemożliwe. Reaktor zaczyna się rozgrzewać, zamieniając w parę otaczającą go wodę. Para wodna wypuszczana przez zawory znajdujące się wewnątrz zbiornika reaktora powoli wypełnia przestrzeń pomiędzy jego wewnętrzną i zewnętrzną obudową. Nawet jeżeli cała woda z reaktora zamieni się w parę wodną i pręty paliwowe zostaną odsłonięte - obudowa utrzymuje szczelność. Nic się nie wydostaje na zewnątrz.

Odsłonięty rdzeń reaktora składający się z prętów wypełnionych radioaktywnym tlenkiem uranu rozgrzewa się do temperatury ponad dwóch tysięcy stopni, topi się i zaczyna spływać w dół. W tym momencie reaktor jest już bezpowrotnie stracony. Ale szansa, że do takiego zdarzenia dojdzie w reaktorach trzeciej generacji, jest jak jeden na sto tysięcy lat.

Jeśli jednak do stopienia rdzenia dojdzie, prawdopodobieństwo wydostania się substancji radioaktywnych z reaktora wynosi jeden do stu.

Przewidzieć falę

Liczba poziomów zabezpieczeń elektrowni jądrowej przed awarią jest nieporównywalna z żadnym innym urządzeniem zbudowanym przez człowieka. Zapytany, w jakim scenariuszu wszystkie po kolei poziomy bezpieczeństwa mogłyby zawieść, prof. Strupczewski odpowiada krótko: - W Polsce? Chyba jedynie w przypadku wojny jądrowej.

W pogoni za zwiększającą się niezawodnością działania elektrowni podnosi się także poziom jej komplikacji i zwielokrotnia układy bezpieczeństwa. Wydaje się, że w tej dziedzinie konstruktorzy elektrowni jądrowych doszli do ściany. - Każdy system można dowolnie komplikować, ale ryzyka awarii w stu procentach wykluczyć się nie da - mówi prof. Wrochna. - Dlatego nowe reaktory mają bardzo solidne obudowy bezpieczeństwa i specjalne zbiorniki mogące przechwycić stopiony rdzeń reaktora jeśli wszystkie systemy awaryjne zawiodą. W ten sposób możemy zminimalizować nie tylko przyczyny awarii reaktora, ale i jej skutki.

Wspomniane współczynniki bezpieczeństwa wyliczane dla elektrowni jądrowych wydają się uspokajać. Niektórzy specjaliści od atomistyki twierdzą nawet, że są one tak wyśrubowane,

że graniczą z absurdem. Z pobieżnej obserwacji awaryjności elektrowni atomowych wyłania się jednak całkiem inny obraz. Awarie zdarzają się dużo częściej.

Jak pogodzić te dwie rzeczywistości?

Bezpieczeństwo awarii wyliczane przez inżynierów odnosi się do zjawisk wywołanych działaniem człowieka: takich jak wadliwy zawór czy pęknięta rura. Ponadto dotyczy ono elektrowni budowanych obecnie, które są wielokrotnie bardziej bezpieczne niż np. elektrownie w Fukushimie, nie wspominając o Czarnobylu. Natomiast w stosunku do zagrożeń naturalnych zakłada się mniejszy margines bezpieczeństwa: raz na dziesięć tysięcy lat. A w Fukushimie właśnie przewidywanie zagrożeń naturalnych - w tym przypadku tsunami - okazało się niewystarczające.

***

Każda większa awaria elektrowni jądrowej była dla konstruktorów twardą lekcją, z której wyciągali wnioski. Ich rezultatem są coraz bezpieczniejsze i bardziej niezawodne elektrownie. Zapewne, gdy dymy nad Fukushimą przestaną się unosić, nadejdzie czas rozliczeń i kolejnych działań zwiększających bezpieczeństwo. Ściany otaczające elektrownię w Fukushimie zapewniały ochronę przed falą o wysokości 6,5 metra. Niestety, okazało się, że nadchodząca fala była o pół metra wyższa. Tym razem katastrofalne w skutkach 50 centymetrów fali tsunami postawiło przed atomistami problem, z którym się jeszcze nie mierzyli: jak przewidzieć zdarzenia z natury nieprzewidywalne?