Zvětšit obrázek

Schématický nákres různých chladících obvodů ve varném reaktoru.

Standardní chlazení

Stejně jako u všech lehkovodních reaktorů se i u těch varných používá pro chlazení demineralizovaná voda. Existuji pro to dva hlavní důvody. Neobsahuje rozpuštěné soli, a tedy se nevytvářejí usazeniny, které by chladící systém poškozovaly. Zároveň se tím zabraňuje možným reakcím mezi neutrony a některými prvky, které by se tak mohly měnit na radioaktivní izotopy. Jednotlivé chladící okruhy jsou zobrazeny na obrázku. Za běžného provozu teplo produkované v aktivní zóně reaktoru mění chladící vodu na páru. Ta pak prochází vysoušečem páry, odkud se suchá, zbavená zbytků kapalné fáze, vede do turbíny (červená barva), která její teplo (tlak) proměňuje na elektřinu. To páru sice ochladí, ale na kapalinu zkondenzuje až v kondenzátoru chlazeném dalším okruhem, do něhož se čerpá běžná mořská voda. Demineralizovanou zkapalněnou vodu v primárním okruhu pak výkonné pumpy přečerpají zpět do reaktorové nádoby (špinavě zelená barva), čímž se celá smyčka uzavře.
V tlakové nádobě reaktoru je tlak 7,6 Mpa a voda zde začíná vřít až při 285 °C.

V případě odstavení reaktoru se pára vede mimo turbínu přímo do kondenzátoru (fialová barva). Toto chlazení probíhá do doby, než se voda v reaktoru přestane proměňovat na páru. Další dochlazování se provádí pomocí systému odvodu zbytkového tepla (světlá šedomodrá barva), který prochází přes výměník. Tento systém má vstup do reaktoru a výstup z něho přes recirkulační obvod (světlejší jasně modrá barva), aby se omezil počet průchodek do reaktorové nádoby.

Havarijní dochlazování

Že se možnosti havarijního dochlazování liší u prvního reaktoru a ostatních dvou, jsem psal už minule. První reaktor je staršího typu a má pouze nouzový kondenzátor. V tomto případě byly možnosti chlazení po výpadku napájení velmi omezené. Jakmile dodávka proudu z dieselových agregátů zničených cunami 11. března 2011 v 15:41 JST ustala, ztratila se možnost předávat vyvíjené teplo do mořské vody. Chlazení částečně probíhalo pomocí zmíněného nouzového kondenzátoru. Kdyby se včas podařilo zajistit elektřinu, bylo možné využít klasického havarijního chlazení, které má dvě možnosti. Jedna z nich je určena pro případ vysokého tlaku v reaktorové nádobě a druhá pro případ nízkého tlaku. To se však nepodařilo, brzy se vybily i baterie a chlazení bylo za krátkou dobu velmi nedostatečné. Došlo k odhalení paliva, prudkému nárůstu teploty a k intenzivní produkci vodíku hlavně reakcí se zirkoniem povlaku palivových článků. Výsledkem bylo, že již druhý den brzy ráno začal tlak v kontejnmentu vlivem pronikání vodíku prudce stoupat. Zároveň ve 4:00 JST přestalo fungovat i chlazení pomocí nouzového kondenzátoru. Bylo proto nutné v 10:17 JST páru a vodík z kontejnmentu vypustit. V 15:36 JST došlo k výbuchu vodíku v horní části budovy reaktoru. Teprve v 20:20 se podařilo pomocí hasícího systému začít čerpat do reaktoru mořskou vodu a pokračovat v jeho chlazení. Důvodem zpoždění byl vysoký tlak v reaktoru.

Druhý a třetí reaktor mají navíc systém izolovaného dochlazování aktivní zóny (anglická zkratka RCIC). Skládá se z turbočerpadla poháněného párou z reaktoru, které nasává vodu z komory potlačení a pod tlakem ji žene do reaktorové nádoby. Tato komora potlačení je v dolní části kontejnmentu, má toroidální tvar (viz obrázek reaktoru a kontejnmentu Mark 1) a je v ní zásoba několik tisíc tun studené vody, která slouží i pro kondenzaci páry z turbíny v tomto systému izolovaného dochlazování aktivní zóny. Teplo, které pára přinese však vodu v komoře pomalu ohřívá. V okamžiku, kdy její teplota stoupne na sto stupňů, přestane celý systém tohoto dochlazování fungovat. Ovšem funkce systému se zhoršuje už dříve.

Zvětšit obrázek

Schéma kontejnmentu MARK 1

U druhého reaktoru bylo chlazení nestabilní a také došlo k odhalení aktivní zóny. Tlak narůstal a bylo nutno 13. března 2011 v 11:00 JST začít páru vypouštět. Jak už jsem zmínil v minulém článku o Fukušimě, u tohoto reaktoru izolované dochlazování aktivní zóny vydrželo déle než u reaktoru třetího - až do 14 března v 11:30 JST. Mořskou vodu se podařilo začít pumpovat už v 16:34 JST, i tak však došlo k poškození paliva a produkci vodíku. Nárůst tlaku vedl k nutnosti dalšího odpouštění páry, které začalo 15. března ve 12:02 JST. Později došlo pravděpodobně k výbuchu vodíku uvnitř kontejnmentu a jeho poškození, které bylo doprovázeno ztrátou tlaku. Právě to bylo příčinou hlavního úniku radioaktivity z elektrárny.

U třetího reaktoru se také spustilo chlazení pomocí systému izolovaného dochlazování aktivní zóny, 12. března se ve 13:00 podařilo začít pumpovat chladící vodu systémem havarijního chlazení při vysokém tlaku. To se dařilo do 13. března 5:00 JST, v té době už nefungoval ani systém izolovaného dochlazování. Tlak začal prudce růst a v 8:41 bylo nutné zahájit odpouštění páry. Následně se do reaktoru začala v 13:12 pumpovat mořská voda. Dalšího dne 14. března nastal v 11:01 výbuch vodíku v horní části reaktorové budovy.

Čtvrtý reaktor byl prázdný, všechno palivo bylo krátce před tím přesunuto do vodního bazénu pro přechodné skladování vyhořelého paliva. Tyto bazény jsou v budovách každého reaktoru nad samotným kontejnmentem. S jejich chlazením také začaly být velké problémy a i v současnosti se řeší přerušovaným doplňováním pomocí stříkaček a pump. Právě čtvrtý reaktor, ve kterém je paliva nejvíce a je i nejčerstvější představuje největší komplikaci.

Pátý a šestý blok jsou umístěny trochu stranou. V době zemětřesení byly vypnuty, takže jejich tepelný výkon produkovaný rozpadem radioaktivních izotopů, který bylo třeba odvádět, byl mnohem menší. Také tam jeden dieselagregát cunami přežil. To byly hlavní důvody, proč se podařilo udržet havarijní chlazení. Nemuselo se přejít k zalévání reaktoru mořskou vodou. Situace se plně stabilizovala po přivedení napětí. V současné době jsou bloky v tzv. „studeném odstavení“. I když cirkulace při chlazení bazénů s vyhořelým palivem byla také na jistou dobu přerušena, nevedlo to k problémům a i z tohoto hlediska je situace na těchto blocích plně pod kontrolou.

Zvětšit obrázek

Robot v prvním patře uvnitř budovy prvního reaktoru (zdroj TEPCO).

Chlazení prvních tří reaktorů v současné době

Od okamžiku, kdy se podařilo v konkrétních třech případech vyřešit problém s pumpováním vody do tlakové nádoby reaktoru, se chladí tak, že se neustále dodává další voda. Jak bylo zmíněno, nejdříve se jednalo o vodu mořskou, nyní už o užitkovou. Ta se vypařuje, pára kondenzuje v kontejnmentu a voda se hromadí v jeho mokré části. Objem kontejnmentu pojme velmi velké množství vody. U prvního a třetího reaktoru, u nichž nebyla narušena jeho hermetičnost, by pára ani radioaktivní voda z něj neměly unikat. U druhého reaktoru se ale ven dostávají. Potvrdil to i robot, který byl poslán do prvního patra budovy druhého reaktoru a zjistil velice vysokou vlhkost a teplotu.

Donedávna byla snaha pumpovat co nejméně vody. Právě tolik, aby se udržela její hladina v reaktorové nádobě a zajistilo chlazení. Do reaktoru se tak dodává šest až osm tun vody za hodinu. Nyní se začíná uplatňovat napřed u prvního reaktoru a později u třetího jiný přístup. Vychází se z toho, že hermetičnost kontejnmentu je zachována a tak může být postupně vyplněn vodou. Voda by měla dosáhnout takové výšky, aby v ní byla ponořena reaktorová nádoba až po úroveň horního konce palivových článků. Tím by se zlepšil odvod tepla z reaktorové nádoby, snížila se její teplota (v současné době je mezi 120 °C až 140 °C ve výšce, kde je do reaktoru přívod vody z kondenzátoru) a chlazení se tak více stabilizovalo.

Dálkově ovládané zařízení, kterým se získaly snímky vnitřku bazénu pro vyhořelé palivo a odebraly vzorky vody.

Nutnou podmínkou pro toto vyplnění kontejnmentu je, aby byl hermetický a tato hermetičnost nebyla velkou hmotností vody ohrožena. Proto se nic takového zatím neplánuje u druhého reaktoru, kterého kontejnment by se musel nejdříve utěsnit zabetonováním všech trhlin. Zalití vodou se tak připravuje jen u prvního a třetího reaktoru. U prvního je zatím příprava nejdále. Zátěž velkého množství vody by neměla ohrožovat kontejnment v normální situaci. Problémem je jeho chování při silném zemětřesení, kdy se kontejnment vyplněný vodou bude chovat jinak. Proto se nejdřív musí udělat velice pečlivé studie, zda nebude celistvost kontejnmetu zemětřeseními ohrožena. Zároveň se musí podrobně ověřit, zda opravdu není někde v kontejnmentu netěsnost, kterou by voda po zvýšení tlaku pronikala ven do budovy reaktoru. Podmínkou je tedy důkladná prohlídka vnitřních částí reaktorové budovy v nižších patrech. První byla 17. dubna provedena radiově řízeným robotem, který zjistil poměrně vysokou radioaktivitu jak v prvním tak ve třetím reaktoru. Ta zatím znemožňuje práci lidí v těchto místech.

Začátkem května proběhl u prvního reaktoru test se zvýšením objemu dodávané vody z šesti na deset tun za hodinu. Projevilo se to snížením teploty v horní části reaktorové nádoby na 107 °C, tedy téměř o 25 °C, i poklesem tlaku. Později se zkoušelo i pumpování čtrnácti tun vody za hodinu. Zároveň je do kontejnmentu vháněn dusík, aby znemožnil výbuch vodíku, který se tam může hromadit. Robot pak opět ověřoval, zda nedochází někde v reaktorové budově k průsaku vody či páry z kontejnmentu. Že se začal stabilizovat právě první reaktor je dáno i tím, že poškození jeho aktivní zóny je patrně největší, i když nedávno byl na základě nových dat revidován odhad míry poškození ze sedmdesáti procent na padesát.

Kromě kontroly vnitřních částí budovy reaktoru je potřeba instalovat nový systém měření hladiny vody uvnitř kontejnmentu a později i systém umožňující cirkulovaný oběh vody, který by úplně stabilizoval situaci s chlazením. Předpokládá se využití části původního potrubí a pára z reaktoru bude odváděna do tepelného výměníku, který má být instalován nedaleko vstupu do reaktorové budovy. Už ve formě vody pak bude přečerpávána do chladící věže mimo reaktorovou budovu a pak potrubím opět do kontejnmentu.

Aby to bylo možné, je potřeba zlepšit podmínky pro práci lidí v reaktorové budově. Hlavně snížit radioaktivitu. Proto by se tam měl umístit systém pro filtrování vzduchu, který jej bude čistit od radioaktivních částic. Čištění vzduchu bude doprovázeno velmi pečlivým monitorováním radioaktivity. Včera (ve čtvrtek 5. května) ráno vstoupilo poprvé po explozi vodíku do vnitřních částí reaktorové budovy prvního bloku postupně dvanáct pracovníků s dýchacími přístroji. Spolu s dalšími kolegy by v ní měli v průběhu několika následujících dní umístit osm filtračních zařízení, která by měla radioaktivitu ve vzduchu postupně snížit o 95 procent. To by umožnilo dlouhodobější práci lidí v těchto prostorách. Předpokládá se, že instalace zařízení pro cirkulaci vody by uvnitř budovy mohla začít 16. května. I pak se může objevit řada komplikací, protože radioaktivita není jen ve vzduchu ale i na zařízeních, které bude nutné před opravami vyčistit. Je tak možné, že se pracovníci neobejdou bez olověných ochranných oděvů či pomůcek.

Zvětšit obrázek

Vnitřek bazénu pro vyhořelé palivo ve čtvrtém reaktoru elektrárny Fukušima 1

Co s radioaktivní vodou?

Odhaduje se, že v současnosti je celkové množství radioaktivní vody v turbínových halách a několika podzemních prostorách téměř 70 000 tun. Zatím se do nádrže zařízení pro zpracování odpadu v areálu začala transportovat voda z turbínové haly druhého reaktoru, jejíž radioaktivita je největší. Od 19. dubna do konce tohoto měsíce se podařilo přečerpat 2 560 tun. Vytvářejí se podmínky pro zahájení odčerpávání vody ze třetího reaktoru, kde voda stoupá. To si vyžádá vybudovat pro ni další zásobníky. Proběhlo také odčerpávání relativně malého množství radioaktivní vody, která je v šestém reaktoru.

Firma AREVA by měla přímo ve Fukušimě postavit dekontaminační zařízení. Její odborníci už zkoumali situaci na místě. Měly by se používat chemické metody, se kterými má AREVA dobré zkušenosti získané ve vlastních zařízeních v Marcoule a LaHavru. Tento systém dekontaminace by měl být dokončen a zpuštěn v červnu. Bude používat reakce iontové výměny pro vysrážení radioaktivních prvků. Radioaktivita vody by se tak měla snížit na tisícinu až desetitisícinu současné hodnoty. Pak by se měla začít používat pro chlazení reaktorů a bazénů. Předpokládá se, že po rozběhnutí by zařízení AREVY dekontaminovalo 1 200 tun vody denně.

Další novinky z elektrárny

Velice intenzivně pokračují práce na zajištění funkčnosti všech systému i v při případném dalším velkém zemětřesení s následnou vlnou cunami. Kdyby k takové události přišlo, nesmí dojít k poškození zásobníků s radioaktivní vodou a k jejímu úniku do moře. Proto se mají stavět ochranné zdi.

Pokračuje i úklid radioaktivních trosek v okolí reaktorových budov pomocí automatických a na dálku řízených strojů. Speciálními postřiky, které fixují radioaktivní materiály a zabraňují jejich rozšiřování větrem z areálu elektrárny, se už ošetřily rozsáhlé plochy. Po vyřešení problémů s chlazením by se měly postavit hermetické kryty, které by nahradily zničené budovy reaktorů. Zmíněná opatření by měla zabránit úniku radioaktivních částic z areálu elektrárny a jejich dokončení je základní podmínkou pro návrat civilního obyvatelstva do jejího okolí.

V současnosti v elektrárně pracuje asi tisíc pracovníků. Efektivní uplatňování metod ochrany před radiací pomohlo k tomu, že zatím pouze třicet lidí obdrželo dávku větší než 100 mSv a u nikoho dávka nepřekročila 250 mSv. Společnost TEPCO plánuje poslat do elektrárny další pracovníky, aby mohla zajistit častější střídání a tím i menší dávku pro jednotlivé osoby. Měli by to být pracovníci s dostatečnými zkušenostmi, kteří už v této nebo v jiných jaderných elektrárnách pracovali. Počítá se přibližně se třemi tisíci lidí.

Zvětšit obrázek

5. května vstoupili do vnitřních částí reaktorové budovy první pracovníci s dýchacími přístroji. Zdroj: TEPCO

Aktuální radiační situace v okolí

Radioaktivita nadále klesá. Předchozí vývoj jsem popsal v dřívějších článcích (zde, zde, zde a zde). Od posledního článku uplynulo zhruba půl měsíce. Za tu dobu klesl příspěvek k dávkovému příkonu od Fukušimy 1 v Tokiu z 0,042 mikrosieverů za hodinu na 0,032 mikrosievertů za hodinu. Přirozené pozadí je zde zhruba 36 tisícin mikrosievertů za hodinu. Příspěvek Fukušimy tedy klesl pod hodnotu přirozeného pozadí a stále se snižuje. Na území mimo evakuovanou zónu už většinou radioaktivita klesla hluboko pod jeden mikrosievert za hodinu. V jednom z nejpostiženějších sídel, Iitate, v severozápadní části této oblasti, klesl dávkový příkon z 5 na 3,5 mikrosievertů za hodinu. Na hranicích elektrárny sledujeme situaci u hlavní brány, tam se snížil dávkový příkon ze 70 na 46 mikrosievertů za hodinu, a u západní brány, tam klesl z 30 na 18 mikrosievertů za hodinu. O situaci v evakuované zóně si lze udělat přibližnou představu pomocí videa v předešlém článku. Mnohé napoví i měření radioaktivity v areálu jaderné elektrárny Fukušima 2, která je v této zóně. Tam je v současnosti dávkový příkon 1,7 mikrosievertů za hodinu. Před necelým měsícem to bylo 2,3 mikrosievertů. Poměr mezi hodnotami je ve všech uvedených místech velmi podobný - mezi 0,6 až 0,7. To odpovídá efektivnímu poločasu poklesu aktivity v současné době zhruba 26 dní, což potvrzuje, že k radioaktivitě stále přispívají zejména relativně krátkodobé izotopy. Proto i nadále můžeme očekávat výrazný pokles, než jako zdroj záření zůstane hlavně cesium 137.

I v evakuované zóně se již začalo s odstraňováním následků katastrofy. Přitom se měří radioaktivní znečištění trosek a naměřené výsledky se musí zohlednit při jejich ukládání a likvidaci. Japonské úřady tyto oblasti uzavřely, krátkodobý vstup místních obyvatel se povoluje pouze v odůvodněných případech a jenom do oblastí, které k elektrárně nejsou blíže než tři kilometry.

V moři radioaktivita rozředěním klesla pod povolený limit. Překračuje ho jedině v blízkosti jímky u druhého reaktoru, kde byla trhlina, kterou unikala vysoce radioaktivní voda. Toto místo je ohrazeno a monitorováno, aby byla jistota, že se úniky podařilo zastavit.

Závěr

Jak už jsem několikrát zdůrazňoval, základní podmínkou pro návrat civilního obyvatelstva do evakuované zóny je vyřešení všech problémů s chlazením reaktorů v elektrárně. Je nezbytné vyloučit všechna rizika úniků radioaktivity z elektrárny. Společnosti TEPCO předpokládá, že by to mohla stihnout do konce roku. Nelze ale předvídat všechna nemilá překvapení, která pak povedou ke zpoždění. Poměrně rychlý pokles radioaktivity poskytuje naději, že v době stabilizace situace v elektrárně už bude prostředí v evakuované zóně zcela bezpečné. Samozřejmě, že radioaktivita v oblasti musí být pečlivě zkontrolována. Do doby zpřístupnění evakuované oblasti civilnímu obyvatelstvu proběhne základní úklid a rekonstrukce po zemětřesení a cunami. Podle nynějších předpokladů by se lidé mohli začít vracet do svých domovů začátkem příštího roku.