Моля без паника

Update: Осъвременен вариант на оригиналната публикация (на английски) вече се хоства на сайта на Департамента по ядрени науки и инженерство в Масачузетския технологичен институт (MIT). Може да я намерите тук, заедно с последната проверена и потвърдена информация около ядрената авария в Япония.

Не е имало и НЯМА да има изтичане в значими количества радиация.

Под значимо количество имам предвид ниво на радиоактивност, което е по-голямо от това, което се получава при дълъг полет или халба бира, която идва от област, в която има естествено високо ниво на радиоактивност.

Чета всяка една новина за инцидента, откакто земетресението се случи. Няма нито един (!) материал, който да е точен в данните си и да не съдържа грешки (част от проблема идва от слабостите в методите на публична комуникация в Япония по време на кризи).

Когато казвам, че един материал е с грешки нямам предвид тенденциозната журналистика, насочена против съществуването на ядрени централи – това е напълно нормално в днешни дни. Имам предвид грубите неточности, когато стане дума за физически и природни закони, както и ужасно грешно интерпретиране на факти, поради очевидна липса на фундаментално познание за начина, по който атомните реактори са построени и за това как действат.

Сега ще засега няколко фундаментални факта, преди да обясня какво всъщност се случва.

Конструкцията на ядрената централа във Фукушима

Централите във Фукушима са от типа реактори с кипяща вода. Нещо като тенджерите под налягане. Атомното гориво затопля водата, водата кипва и се образува пара, която завърта турбината. Тя предава движението на генератора, който произвежда електричество. След турбината парата се охлажда и кондензира отново във вода, която се връща обратно в реактора.Тази ядрена тенджера под налягане обикновено действа на 250 °C.

Атомното гориво е уранов оксид. Неговата температура на разтапяне е около 3000 °C. Самото горивото се произвежда под формата на пелети (нещо като цилиндърчета с размера на части от Лего). Тези частици се зареждат в тръби направени от циркониева сплав, която е с температура на топене 2200 °C. Конструкцията формира т.нар. горивни пръти. Тези горивни пръти са скрепени заедно под формата на пакети (или топлоотделящи елементи), които после се слагат в реактора. Пакетите и гнездото, в което са поставени, се нарича "ядро" (активна зона или реакторно ядро) - в него се осъществява ядрената реакция.

Циркониевата обвивка на горивните пръти е първото ниво на защита. То отделя радиоактивното гориво от останалия свят.

Активната зона се поставя в т.нар. обеми под налягане (корпусът на реактора). Т.е. тенджерите, за които говорих по-рано. Реакторният корпус е второто ниво на защита. Той е като един здрав похлупак, който е направен така, че да може безопасно да издържи няколко хиляди градуса по Целзий.

Целият "хардуер" на атомния реактор – съдът под налягане и всички тръби, помпи, водни запаси за охлаждането, са вложени в третото ниво на защита. То е херметически затворена черупка от най-здравата стомана. Третото ниво на защита е проектирано, изградено и тествано с една единствена цел: да може да удържи в себе си безсрочно пълно разтапяне на ядрото. За тази цел, голям и дебел бетонен резервоар е поставен под корпуса, т.е в рамките на третото ниво на защита. Това е т.нар. ядрен прихващач. Ако ядрото се разтопи и корпусът на реактора се разпука (и евентуално се разтопи), той прихваща разтопеното гориво и всички останали продукти. Изградено е по такъв начин, че горивото да се разсее и охлади.

Черупката на реактора е заобиколена от сградата на реактора. Тя е външната защита, която предпазва реактора от въздействието на природата. Това е частта, която се е повредила по време на експлозията, но за това по-късно.

Фундаментални факти за ядрените реакции

Ядреното гориво генерира топлина чрез деление на атомните ядра. Големите уранови атоми са разделят на по-малки. При това се отделят топлинни неутрони, които, удряйки друг U-235 атом го раздробяват, с което генерират друг неутрон и т.н. Това се нарича верижна ядрена реакция.

Пакетирането на множество горивни прътове един до друг би довел до бързо прегряване и след около 45 минути ще започне топенето им. Необходимо е да се спомене, че на този етап ядреното гориво в реактора не може по никакъв начин да предизвика експлозия като атомната бомба. Да построиш атомна бомба е всъщност доста трудно (както в Иран много добре знаят). В Чернобил, експлозията беше причинена от прекалено високото налягане, образувано от охлаждащата вода, експлозия на водородните пари и спукване на всичките три защити. С това, материал от разтопеното ядро е навлязъл в околната среда (т. нар."мръсна бомба").

Защо това не се случи и няма да се случи в Япония ще разберете сега.

За да се контролира ядрената верижна реакция, реакторните оператори използват т.нар "забавители". Забавителните пръти абсорбират неутроните и потушават реакция. Атомният реактор е направен по такъв начин, че когато се използва нормално, забавителите не се използват. Охлаждащата вода отнема температурата като превръща водата в пара. Предвидена е доста резервна вода, така че да не се надвишава работната температура от 250°C.

Тънкият момент е, че след вкарване на забавителя и спирането на верижната реакция, ядрото ще продължи да произвежда топлина. Въпреки че верижната реакция е прекъсната, от горивните клетки продължават да се отделят много междинни радиоактивни елементи, най-вече цезиеви и йодни изотопи. Тези химични елементи продължават да се разпадат и да излъчват топлина. Понеже след спиране на верижната реакция уранът не ги възобновява по никакъв начин, ядрото се охлажда за няколко дни, и тези радиоактивни елементи се разпадат до нерадиокативната си форма.

Тази остатъчна топлина е всъщност причината за сегашните драма.

Първият "вид" радиоактивен материал е уранът в горивните пръчки, като и междинните радиоактивни химични елементи, които се отделят при разпада на урана - цезий и йод.

Вторият вид радиоактивни елементи се образуват извън горивните пръти. Тези радиоактивни материали имат много кратък живот, тяхната активност спира и те бързо се раздробяват на нерадиоактивни материали. Под бързо, имам предвид секунди. Така че ако радиоактивен материал е бил изпуснат в околната среда, то това въобще не е опасно Защо? Докато кажете "р-а-д-и-о-н-у-к-л-и-д", те са вече безопасни, защото се разпадат в нерадиоактивни елементи. Най-често те са изотопна група N-16, т.е. радиоактивен изотоп на кислорода. Другите са благородни газове като ксенона. Но откъде идват те? Когато уранът се разпада, той произвежда неутрон (вижте по-горе). Повече от тези неутрони ще се ударят в други неутрони и ще продължат ядрената верига. Но някои ще напуснат горивната клетка и ще влязат във взаимодействие с водните молекули или въздуха. Тогава, нерадиоактивен елемент може да "хване" неутрона. И така той става радиоактивен. Както обясних по-горе, секунди са необходими те да се откъснат един от друг и неопасният елемент да се завърне отново към прекрасното си невинно аз.

Този вид радиоактивност е много важен, когато говорим за радиоактивен материал, който е пуснат в околната среда.

Какво стана във Фукушима?

Ще се опитам да обобщя фактите. Земетресението, което се случи в Япония, беше 7 пъти по-мощно от най-разрушителното, което ядрената централа е създадена да устои. Скалата на Рихтер се изчислява логаритмично, тоест разликата между трус с магнитуд 8.2, за какъвто централите са предвидени, и 8.9, какъвто се е случил реално, е 7 пъти, не 0.7. Така че следва да кажем първото голямо браво на японските инженери – всичко е успяло да остане цяло.

Когато земетресението удари с магнитуд 8.9, всички реактори автоматично са се изключили. Секунди след като трусът е започнал, забавителите за влезли между горивните клетки и са прекратили верижната ядрена реакция. Задачата на охладителната система е да отнеме остатъчната топлина. Тя е около 3 процента от обичайната при нормално функциониране на реактора.

Земетресението не само спира реакторите, т.е. не произвеждат необходимата им енергия, но унищожава външното електрическо захранване (т.е. далекопроводите). Това е един от най-сериозните възможни инциденти за ядрена централа и съответно при проектирането на АЕЦ, това е един от най-важните проблеми – създаването на резервни захранващи мощности. Енергията е необходима, за да могат охлаждащите помпи да продължат да работят.

Нещата са вървели добре за около час. В момента, в който прекъсва захранването се включват резервните дизел генератори и осигуряват нужното електричество. Цунамито, много по-голямо отколкото хората, проектирали централа са предполагали за възможно, обаче изключва всички резервни генератори.

Когато са изграждали централата, инженерите са следвали философията, наречена "отбрана в дълбочина". Това означава, че строиш с идеята централата да издържи най-ужасната катастрофа, която можеш да си представиш. На следващо ниво, тя трябва да може да оцелее след втори системен срив, който никой не може да си представи. Цунамито изключва цялата резервна енергия, което е първата невероятна хипотеза. Последната линия на отбрана е третото ниво на защита, което трябва да задържи всичко, независимо от това каква катастрофа се случи – забавителят не успее да спре ядрената реакция, корпусът не реактора се разтопи и т.н.

Когато дизеловите генератори не работят, операторите на АЕЦ-а преминават към аварийната енергия. Акумулаторите са устроени като резерви на резервите, за да могат да осигурят енергия за охлаждане на ядрото за 8 часа. И точно това направиха.

След 8 часа, още един източник на енергия трябвало да бъде открит и свързан с централата. Електрическата мрежа беше изключена заради земетресението. Дизеловите генератори бяха разрушени от цунамито. Така че в действие трябваше да влязат мобилните дизелови генератори.

Тук е моментът, когато нещата сериозно се объркват.

Външните енергийни генератори не успяват да се свържат с централата, така че когато акумулаторите се изтощават, няма кой да задвижва водните помпи и остатъчната топлина започва да нараства.

На този етап операторите на централата започват аварийните процедури, когато има загуба на охлаждане. Енергията, подадена към охладителните системи никога не би трябвало напълно да изключва, но в случая става точно това, така че се следва следваща точка от плана. Колкото и шокиращо да ни звучи, това е част от всекидневните тренировки, през които операторите преминават – те трябва да са готови за разтапяне на корпуса на реактора.

Охлаждането на ядрото е сложна работа, тъй като реакторът има няколко системи, всяка една в много варианти (пречиствателна, система за отнемане на излишната топлина, изолационна, постоянната охлаждаща система или аварийната охлаждаща система). Засега е неясно коя се е развалила, кога и дали въобще в това е проблемът.

Така че представете си нашата тенджера на печката, затоплена на малка степен, но все пак с включен котлон. Операторите използват всичко каквото им е под ръка, за да могат да неутрализират колкото се може повече топлина, но налягането започва да покачва. Приоритетът сега е да се запази целостта на първата защита, циркониевата обвивка на горивните пръти, т.е. да не се допусне температурата над 1200°C, както и на втората защита, самата тенджера. Целта е тя да остане функционална колкото се може по-дълго, за да даде на инженерите време да оправят охладителните системи. Проблемът е, че при толкова високи температури, водните молекули се превръщат в кислород и водород – доста експлозивна смес. И за да не стане взрив, налягането трябва да бъде освобождавано от време на време. Именно за това реакторът има 11 клапана. Механиците са започнали да изпускат налягането, за да го контролират. Температурата тогава е била около 550°C.

Тогава започнаха информациите за радиоактивно изтичане. Обясних по-горе защо изпускането на тази струя е безопасно.

На някакъв етап по време на това изпускане се случва експлозията. Взривът е извън третото ниво на защита. Помнете, че реакторната сграда няма функция в задържането на радиоактивността. Не е напълно ясно какво точно се е случило, но вероятно става въпрос за нещо подобно: операторите продухват реакторния корпус не директно към околната среда, но в пространството между тенджерата и сградата на реактора (или кашона, образно казано). Целта е да се даде време на радиоактивността да се разсее преди да навлезе в атмосферата. И тя експлодира, което нанася щети на кашона, но не и на тенджерата.

Това което се случва в Чернобил е експлозия, но не в сградата, а в самия реакторен корпус (тъй като централата е лошо проектирана и още по-лошо управлявана).

Но такъв риск никога не е съществувал при случая във Фукушима. Проблемът с кислородно-водородната смес е един от най-големите, когато се изгражда централа (ако не сте от СССР, разбира се). Така че реакторът е изграден и устроен по начин, който да не позволи това да се случи в реакторния корпус. Случило се е отвън, което не е било предвидено, но е един възможен изход от ситуацията и е окей, тъй като не излага на риск най-важната защита – пръска опаковката, но не и стоката.

И така, налягането е под контрол, струята е изпусната. Но ако продължите да варите, водата ще продължи да се изпарява. Активната зона е покрита с няколко метра вода, за да може да мине известно време (часове, дни) преди да се оголи. Когато пръчките започнат да се показват на върха, откритите им части достигат критичната температура от 1200 °C след около 45 минути. Това е моментът, в който първата защита се проваля.

И това вече е започнало да се случва. Охлаждането не е могло да бъде възстановено преди, макар и малка, горивото да бъде засегнато.Ядреният материал, сам по себе си е останал цял, но съдържащата го циркониева тръба е започнала да се топи. Това, което е станало е, че някои от вторичните продукти при разпадането на урана, като радиоактивни цезий и йод, са започнали да се смесват с парата. Големият проблем, уранът, е все още под контрол, защото урановият оксид издържат до 3000 °C. Вече е потвърдено, че малко количество цезий и йод са открити в парата, която е била пусната в атмосферата.

Изглежда това е било сигнал, че план Б трябва да влезе в ход.

Малките количества цезий, които са били открити е знак за операторите, че първата бариера,т.е. обвивката на някой от горивните пръти вече е започнала да се разтапя. План А е бил да се възстанови една от регулярните охладителни системи до активната зона. Защо този план е претърпял провал не е ясно. Правдоподобно обяснение е, че цунамито е замърсило цялата чиста вода, необходима за безпроблемнато работа на охладителните системи.

Водата, която се използва за охладителната система, е много чиста, дестилирана. Причината е, че дестилираната вода почти не абсорбира неутроните и така остава с ниско ниво на радиоактивност. Мръсната или солената вода ще абсорбира неутроните по-бързо, с което ще стане по-радиоактивна. Това няма никакъв ефект върху ядрото – него не го интересува какво го охлажда. Но прави живота на операторите по-тежък, когато трябва да разберат нивото на радиоактивност на водата и каква е причината за него.

Но План А се е провалил – охладителната системи са изключили и не е имало друг запас от вода, така че се намесва План Б.

За да предотврати разтапяне на реактора, операторите са започнали да използват морска вода. Не съм съвсем сигурен дали са претоварили с нея корпуса на реактора (втората бариера) или водата е преляла в черупката (третата защита) и е потопила тенджерата. Но това всъщност не ни интересува чак толкова.

Важното е, че ядреното гориво е било охладено. Верижната реакция е била спряна много преди това, в резултат на което има съвсем малко остатъчна топлина за произвеждане. Голямото количество охладена вода е била достатъчна, за да поеме топлината. Също така водата се е омесила с борната киселина, което е следващи ниво на защита за забавяне на неутроните. Всичко това съществено е свалило налягането и съответно опасността от по-голяма авария.

Централата е била близо до разтапяне на активната зона. Но дори и най-лошият възможен сценарии не означава още Армагедон. Ако морската вода не е била достъпна, операторите в АЕЦ-а щяха да продължат изпускането парата, за да избегнат покачване на налягането. Третото ниво на защита щеше да е напълно да запечатано, за да позволи на ядрения срив да се случи без изпускане на радиоактивен материал. След срива, щеше да има период на изчакване, така че междинните радиоактивни материали да се разсеят, след което всички радиоактивни частици да се слегнат. Охладителната система щеше да се възстанови напълно и разтопеното ядро щеше да се охлади до регулируема температура.

След това би следвала трудната работа да се извади разтопеното ядро, гориво щеше парче по парче да се вкара в транспортни контейнери, които да бъдат отнесени към действащите централи. В зависимост от щетите, този блок от централата щеше да бъде поправен или обезверен.

И така, какво научихме?

Централата е обезопасена и ще остане такава.

Случилото се в Япония е INES Level 4 Accident: Ядрен инцидент с локални последици. Това е лошо за компанията, която притежава централата, но не и за когато и да било друг.

Малко количество радиация е била изпуснато, когато реакторния корпус е бил продухан, за да спадне налягането. Всички радиоактивни изотопи са се разпаднали бързо. Малко цезий и йод са били изпуснати. Радиацията е такава, че ако сте стояли на комина по време на аварията, за да запазите желаната си продължителност на живота, просто трябва да спрете да пушите. Цезийните и йодните изотопи са се пренесли към морето и никога няма да бъдат забелязани отново.

Имало е ограничена щета в първата защитна бариера. Това означава, че количество радиоактивен цезий и йод са били допуснати в охладителната вода, но нито неразтварящият се във вода уран, нито друго гадно нещо е попаднало там.

Морската водата, използвана като охладителна, ще бъде до известна степен радиоактивна. По-голямата част от радиоактивността в нея обаче ще бъде отстранена чрез пречистване. Морската вода след това ще бъде заместена с нормална охладителна.

Реакторното ядро ще бъде обезвредено и транспортирано към преработвателна фабрика, точно както по време на обикновена замяна на горивото. Горивните пръчки и цялата централа ще бъдат проверени за възможни щети. Това ще отнеме около 4-5 години.

Сигурността на всички системи в японските централи ще бъдат конструирани за издръжливост при магнитуд 9 по Рихтер и в случай на цунами (разбира се). Смятам, че най-важният проблем е възможният продължителен недостиг на енергия. Почти половината от японските ядрени реактори трябва да бъдат инспектирани и ограничени в мощността си с 15 процента. Това вероятно ще бъде компенсирано от газовите централи, който иначе се използват само като пикови мощности. Това ще увеличи сметката за електроенергия, както и шанса да има прекъсвания на ток по време на пиково потребление в страната.