Adevarul despre ce s-a întâmplat la Fukushima

Ce s-a întâmplat la Fukushima

(Traducere după textul lui de Josef Oehman, cercetător la MIT, Boston. Puteți citi versiunea originală aici. Mi-am permis să ilustrez articolul cu câteva imagini relevante. Update 14.03.2011, 08:30: Articolul se referă la situația primului reactor, dar explicația și principiile prezentate sunt valabile și pentru incidentele următoare, de la aceiași centrală sau de al alte centrale nucleare de tip BWR).

Scriu acest text (12 martie) pentru a vă liniști în legătură cu cele întâmplate recent în Japonia. Pe scurt, situația reactoarelor nucleare nipone este destul de serioasă, dar ea se află sub control. Textul este destul de lung, dar citindu-l, veți afla mai multe despre centralele nucleare decât toți jurnaliștii de pe planetă, la un loc.

Nu a fost și nici nu va fi eliberare semnificativă de radioactivitate.

Prin semnificativă înțeleg un nivel de radiație mai mare decât ați primi, de exemplu, într-un zbor de lungă durată sau dintr-un pahar de bere care provine dintr-o zonă cu un nivel crescut de radiație naturală.

Am citit toate știrile despre acest subiect, de când el a avut loc. Nu am găsit nici unul care să nu conțină erori, și vinovată pentru acest lucru este și criza de comunicare din parte Japoniei. Prin erori nu mă refer la jurnalism tendențios anti-nuclear, destul de des întâlnit în aceste zile, mă refer la erori grave privind descrierea legilor naturii, interpretări eronate ale faptelor din pricina lipsei unei înțelegeri fundamentale asupra funcționării reactoarelor nucleare. Am citit un raport al CNN de trei pagini și nu am găsit un singur paragraf care să nu conțină o astfel de eroare.

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 250 grade Celsius.

Combustibilul nuclear este oxidul de uraniu, un material ceramic cu un punct de topire destul de mare, în jurul valorii de 3000 de grade Celsius. Combustibilul este produs în formă de capsule de dimensiunea aproximativă a unei piese Lego.  Aceste piese sunt puse într-un tub mai mare, confecționat dintr-un aliaj denumit zircaloy, care are un punct de topire la 2200 de grade. Acest ansamblu constituie o bară de combustibil. Aceste bare sunt apoi grupate în pachete și inserate în reactor. Toate aceste pachete formează miezul reactorului.

Exemplu de bară de combustibil nuclear (plus detalii)

Ambalajul de zircaloy reprezintă primul strat (compartiment) izolator. El separă combustibilul radioactiv de restul lumii.

Miezul reactorului este apoi plasat în vasul sub presiune. Acest vas reprezintă al doilea strat (compartiment) izolator, rezistând până la temperaturi de câteva sute de grade, în cazul în care răcirea este oprită, dar repornită ulterior.

Întregul sistem de vas sub presiune, țevi, pompe, răcitor (apă) sunt protejate de un al treilea strat izolator, confecționat dintr-un aliaj de 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. Din acest motiv, un bazin mare și gros se află sub vasul cu presiune (al doilea strat protector), plin cu grafit, plasat în interiorul celui de-al treilea strat protector.

Acest al treilea inel de protecție este înconjurat de 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.

Schema reacției în lanț ce are loc în barele de combustibil

Grupând la un loc mai multe bare de combustibil descrise mai sus va duce destul de repede la supra-încălzirea instalației și la topirea barelor de combustibil. Acest lucru merită menționat și reținut, el fiind motivul pentru care un reactor nuclear nu va putea niciodată exploda ca o bombă nucleară. Construcția unei bombe nucleare este un lucru destul de dificil (întrebați-i pe cei din Iran, de exemplu). 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 ce așa ceva 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 moderatoare. O bară moderatoare absoarbe neutroni, omorând instantaneu reacția nucleară ce are loc în miezul reactorului. Un reactor nuclear este construit în așa fel încât pentru a funcționa în mod normal, să nu aibă nevoie de barele moderatoare. Agentul de răcire (apa) preia căldura excesivă (pe care o transformă în abur și apoi electricitate) în același ritm în care miezul reactorului o produce.

Problema este că după inserarea barelor moderatoare și oprirea reacției în lanț, miezul continuă să producă ceva căldură. Uraniul nu mai fisionează, dar un număr de elemente radioactive create de către uraniu își continuă procesul de fisiune, eliberând căldură (izotopi radioactivi de cesiu și iod care în cele din urmă vor fisiona și vor crea atomi stabili care nu vor mai produce radioactivitate). [acesta a fost motivul pentru care imediat după Cernobîl s-au împărțit pastile de iod populației expuse: glanda tiroidă are obiceiul de a fixa iodul din mediul. Saturarea sa cu iod din tablete o va împiedica să absoarbă iod radioactiv din mediul înconjurător -n.t.]. Pentru că uraniul nu mai fisionează, izotopii de cesiu și iod nu mai sunt produși în barele de combustibil, astfel că în câteva zile miezul reactorului se va răci, după consumarea acestor izotopi. Această căldură reziduală le dă bătăi de cap japonezilor acum.

Recapitulând, primul tip de material radioactiv este uraniul din barele de combustibil plus elementele radioactive formate prin fisiunea atomilor de uraniu, elemente care se găsesc tot în interiorul barelor de combustibil (cesiu și iod).

Mai există și un al doilea tip de material radioactiv produs în afara barelor de combustibil. Marea diferență este însă că aceste materiale radioactive au un timp de înjumătățire foarte mic (o viață foarte scurtă) ceea ce înseamnă că acești atomi radioactivi se descompun rapid în elemente care nu sunt radioactive. Rapid însemnând câteva secunde.  Dacă aceste elemente ajung în mediu, da, se poate spune că mediul a fost contaminat cu radiație, dar acest lucru nu este deloc periculos. De ce? Până cineva pronunță cuvântul “R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D”, elementele în cauză vor fi inofensive, deoarece mare parte din ele deja s-au transformat în elemente ce nu sunt radioactive. Elementele radioactive de care vorbim sunt N-16 (un tip de atom de azot, constituent al aerului) și gaze nobile (xenon). Dar de unde provin acestea? Când atomul de uraniu fisionează, generează doi sau trei neutroni. Mare parte din neutronii produși astfel lovesc alți atomi de uraniu și mențin reacția în lanț, dar câțiva dintre aceștia pot ajunge în apă sau în aerul din apa care se află în reactor.Când un element care nu este radioactiv (deci este stabil) va capta un neutron, el devine radioactiv. Însă acesta va scăpa repede de neutronul suplimentar și va înceta să fie radioactiv.

Acest al doilea tip de radiație este foarte important pentru a vedea ce anume a fost expulzat în mediu în cazul centralei de la Fukushima.
 

Ce s-a întâmplat la Fukushima?
 

Voi încerca să rezum următoarele. Cutremurul care a lovit Japonia a fost de 7 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 7 și nu 0.7). Așa că inginerii japonezi merită primul val de aplauze, pentru că totul a rămas în picioare după cutremur.

Când cutremurul de 8.9 grade a avut loc, centrala nucleară s-a oprit automat. În câteva secunde de la începutul cutremurului, barele moderatoare au fost inserate în miez și reacția nucleară a fost imediat oprită, urmând ca sistemul de răcire să transporte afară din sistem căldura degajată. Căldura reziduală reprezintă aproximativ 3% din căldura totală, când centrala funcționează la parametri normali.

Cutremurul a distrus sursa externă de electricitate pentru reactorul nuclear. Acest eveniment reprezintă unul din cele mai grave accidente de care poate avea parte o centrală nucleară și este tratat cu maximă seriozitate de echipa de proiectanți. Energia electrică este necesară pentru a păstra în funcțiune pompele care asigura debitul agentului de răcire.

Lucrurile au funcționat timp de o oră deoarece un set de generatoare Diesel au asigurat electricitatea necesară. Apoi a venit valul tsunami, mult mai mare decât proiectanții centralei au luat în calcul, val care a măturat aceste generatoare de electricitate.

Atunci când se proiectează o centrală nucleară, se urmează o filosofie denumită “Defense in Depth“. Se ia în calcul cea mai mare catastrofă și se proiectează totul ca să facă față acesteia. Mai departe, în cazul în care sistemele cedează unul după altul, centrala trebui să poată funcționa în continuare. Un val tsunami care a înlăturat toată rezerva de energie este un astfel de exemplu. Ultima linie de rezistență devine acum al treilea inel de izolare (vezi discuția din secțiunea precedentă) care va păstra totul în interiorul reactorului, indiferent de starea barelor de moderare, indiferent dacă miezul este topit sau nu.

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. Alimentarea cu electricitate a sistemului de răcire nu ar fi trebui să se întrerupă în nici o situație, însă s-a întrerupt, așa că personalul s-a retras la următoarea linie de apărare. 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. Dacă până la sfârșitul zilei sistemul de răcire nu ar fi fost pus cumva în funcțiune, miezul s-ar fi topit în cele din urmă și atunci ar fi intrat în acțiune ultima linie de apărare, bazinul cu grafit care ar fi captat și îngropat miezul reactorului.

Dar prioritar în acel moment era menținerea integrității tuburilor din zircaloy precum și a structurii vasului sub presiune, pentru a le da timp inginerilor să repare sistemul de răcire.

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.

Imaginați-vă un vas sub presiune aflat pe o flacără. O flacără slabă, dar suficientă cât să încălzească în continuare vasul. Căldura trebuie disipată prin orice metode au la îndemână cei din camera de control a centralei, altfel presiunea va crește. Prioritară este menținerea integrității primului compartiment (menținerea temperaturii barelor de combustibil sub 2200 de grade), cât și a celui de-al doilea compartiment (vasul sub presiune). Pentru acest lucru, presiunea trebuie scăzută, prin eliberarea de abur din când în când. Acest lucru fiind atât de important, acest vas are 11 valve care permit o astfel de operațiune, care a și avut loc, menținând astfel o temperatură de 550 grade în interiorul miezului.

A fost momentul în care presa a raportat scurgeri radioactive de la centrala de la Fukushima. Am explicat mai sus de ce acest lucru nu este deloc periculos pentru mediu sau pentru populația din jur.

 

Momentul primei explozii de la centrala de la Fukushima

În timpul acestor operațiuni de ventilare a vasului sub presiune, s-a produs explozia. Aceasta a avut loc în afara celui de-al treilea compartiment de protecție, în interiorul zidurilor clădirii centralei, zid ce nu are un rol în izolarea radiației. Încă nu se știe exact ce s-a întâmplat, dar un scenariu foarte plauzibil este următorul: inginerii au decis să elibereze excesul de abur nu direct în mediu, ci în spațiul dintre cel de-al treilea compartiment și zidul clădirii reactorului, pentru a permite nivelului de radioactivitate să scadă înainte ca acesta să ajungă în mediu. Problema este că la temperaturile mari din miez, se poate întâmpla ca moleculele de apă să disocieze, adică legătura H2O să se rupă în hidrogen și oxigen, o combinație explozivă [motoarele navetei spațiale folosesc hidrogen și oxigen lichid pentru propulsie - n.t.]. Astfel, explozia avut loc în afara celui de-al treilea compartiment, avariind și clădirea reactorului. Acest tip de explozie a avut loc și la Cernobîl, însă atunci a fost în interiorul vasului sub presiune, din cauza proiectării și folosirii greșite a acestuia de către personalul sovietic. Acest lucru nu s-a întâmplat și nu se va întâmpla la Fukushima, din cauza designului diferit a vasului respectiv. Disocierea apei și acumularea de hidrogen și oxigen este una din cele mai mari probleme întâmpinate în timpul construcției unei centrale nucleare (deși sovieticii nu și-au bătut prea mult capul cu asta), astfel încât reactorul a fost astfel proiectat încât acest lucru să nu se întâmple în interiorul său. S-a întâmplat în afara lui, un lucru nedorit, dar un scenariu posibil, dar fără implicații grave pentru mediu.

În acest moment, presiunea era sub control, aburul în exces fiind evacuat. Însă, dacă fierbeți continuu o oală sub presiune și evacuați aburul, în scurt timp nivelul apei din interior va scădea. Miezul este acoperit de câțiva metri de apă, dar după câteva ore sau zile, aceasta va scădea simțitor. În momentul în care barele de combustibil nu mai sunt imersate în apă, ele se vor topi în 45 de minute. Acesta este momentul în care tubul zircaloy se va topi.

Acest lucru a început să se întâmple. Răcirea nu a putut fi asigurată înainte ca unele bare de combustibil să fie avariate prin topire. Materialul nuclear din interior (uraniul) este intact, dar ambalajul de zircaloy începe să se topească. Din păcate, în acest moment produșii secundari rezultați în urma fisiunii uraniului, izotopi radioactivi de cesiu și iod vor ajunge în abur. Aspectul cel mai important este că pastilele de uraniu rămân intacte până la 3000 de grade și acestea nu au ajuns încă în vapori. A fost confirmată prezența unor mici cantități de cesiu și iod radioactiv în aburul ajuns în atmosferă, moment în care s-a trecut la planul B de acțiune. Planul A presupunea asigurarea răcirii reactorului.
Din ce motiv acest lucru nu s-a întâmplat, nu se știe cu exactitate, dar probabil că valul tsunami a avariat rezervele de apă necesară răcirii. Cert este că s-a întâmplat și porțiuni din tuburile din zircaloy au început să se topească, lucru confirmat de prezența cesiului și iodului radioactiv în aburul ventilat din reactor în atmosferă.

Apa folosită pentru răcire este foarte curată și demineralizată (un fel de apă distilată, dar cu un grad sporit de puritate). Motivul pentru care se folosește apă pură este dat de activarea neutronilor din uraniu: apa pură nu se activează prea mult, așa că nu devine radioactivă. Impuritățile din apă sau sărurile pot absorbi neutroni mai repede și astfel apa poate deveni radioactivă.

Pentru a împiedica o topire generală a miezului și pentru că nu aveau la îndemână proviziile de apă pură necesare, operatorii centralei au decis folosirea apei de mare pentru răcire. Încă nu se știe dacă apa de mare a fost folosită pentru inundarea miezului sau doar pentru a răci vasul sub presiune, dar acest lucru nu este relevant în acest moment. Important este că barele de combustibil nuclear s-au răcit în acest fel. Cum reacția nucleară în lanț s-a întrerupt demult, nu a mai rămas de disipat decât acea căldură reziduală de care aminteam mai înainte. Cantitatea mare de apă a fot de data asta suficientă pentru a ține piept acestei încălziri reziduale. Datorită faptului că nu se mai produce căldură, deci nici abur, presiunea scade acum simțitor. În plus, s-a adăugat și acid boric în apa de mare, aceasta fiind un fel de bară lichidă de moderare, el captând orice neutron care ar mai fi  produs în neutron, contribuind la răcirea sistemului.

Centrala nucleară de la Fukushima a fost foarte aproape de o topire a miezului reactorului, însă acest lucru a fost evitat prin pomparea de apă de mare pentru răcirea acestuia și reducerea presiunii din reactor. Dacă acest lucru nu ar fi fost posibil, ventilarea aburului în atmosferă era singurul lucru care putea fi făcut pentru a păstra presiunea sub control. Al treilea compartiment ar fi fost complet izolat, permițând astfel topirea în siguranță a miezului reactorului, fără ca acest proces să răspândească substanțe radioactive în mediu. În cele din urmă sistemul de răcire ar fi fost pus din nou în funcțiune, pentru a permite operarea în siguranță a sistemelor reactorului, pentru îndepărtarea capsulelor de uraniu din miezul topit, care ar fi urmat să fie transportat înapoi la stațiile de procesare ale combustibilului nuclear. În funcție de avarie, centrala ar fi fost reparată sau dezmembrată.

Așadar, pentru a recapitula:

• Centrala este în siguranță și va rămâne așa
• Probabil acest incident va fi catalogat drept unul de gradul 4 pe scara INES: accident nuclear cu consecințe locale. Acesta este un lucru destul de rău pentru compania care deține centrala, dar nu prea afectează pe altcineva.
• Radiație nucleară a ajuns în mediu, în timpul ventilării vasului sub presiune, dar toți izotopii radioactivi din aburul ajuns în atmosferă au dispărut deja. A fost eliberată în atmosferă și o cantitate redusă de cesiu și iod radioactiv. Atât de redusă încât dacă ați fi stat deasupra coșului centralei în acest timp, ar trebui să vă lăsați de fumat pentru a avea din nou o speranță de viață apropiată de medie. Izotopii de iod și cesiu au fost diluați de apa mării.
• Primul compartiment a fost avariat, ceea ce înseamnă cu urme de cesiu și iod vor ajunge în agentul de răcire, dar nu și uraniu. Există instalații pentru tratarea acestei ape în al treilea compartiment, cesiul și iodul radioactiv va fi extras și depus în zona de deșeuri nucleare, specifice oricărei centrale de acest tip.
• Apa de mare folosită pentru răcire a fost activată într-un oarecare grad. Deoarece barele de control sunt inserate în reactor, reacția nucleară a uraniului nu are loc, deci nu contribuie la activarea apei. Materialele radioactive intermediare (cesiu și iod) nu mai sunt disponibile în această fază, deoarece fisiunea uraniului s-a oprit de ceva vreme. Acest lucru reduce și mai mult activarea radioactivă a apei. În concluzie, apa de mare folosită pentru răcire este ușor radioactivă, dar acest lucru se va remedia în instalațiile specifice, înainte ca apa să se întoarcă în natură.
• În timp, apa de mare va fi înlocuită cu agent de răcire normal (apă pură)
• Miezul reactorului va fi demontat și inspectat, exact ca în cazul normal al schimbului de combustibil
• Barele de combustibil și întreaga centrală vor fi verificate pentru eventuale avarii. Acest lucru va dura 4-5 ani.
• Sistemele de siguranță din toate centralele nucleare japoneze for fi îmbunătățite pentru a suporta un cutremur de 9.0 grade pe scara Richter și valuri tsunami aferente.
• Cea mai mare problemă va fi criza de energie electrică din perioada imediat următoare. Jumătate din reactoarele nucleare ale Japoniei vor fi probabil oprite și inspectate, reducând astfel cu 15% cantitatea de energie din sistemul național. Aceasta diminuare va fi suplimentată de centrale clasice, care erau în mod normal folosite doar pentru a face față în perioadele de vârf. Acest lucru va duce la scumpirea energiei electrice în toată Japonia.