Dla skompensowania potencjalnych niepowodzeń ludzkich i mechanicznych wprowadza się koncepcję obrony w głąb, nastawioną na kilka poziomów ochrony, w tym ‐ kolejne bariery zapobiegające uwolnieniu materiałów promieniotwórczych do środowiska. Koncepcja ta obejmuje ochronę barier dzięki zapobieganiu uszkodzeniom obiektu i samych barier. Obejmuje również dalsze środki chroniące ludzi i środowisko przed szkodami w przypadku, gdy bariery te są nie w pełni skuteczne.

Na wszelki wypadek przewiduje się system bezpieczeństwa, który realizuje konkretne idee. Najważniejsza reguła może być sprowadzona do jednego zdania: „Podwójne jest mocniejsze.” Gdy przyjrzeć się jednak dokładniej, to mamy do czynienia z całym szeregiem środków bezpieczeństwa, które odgrywają istotną rolę:

  • Redundancja
  • Rozdzielność
  • Dywersyfikacja
  • Fail-Safe (zasada bezpiecznego uszkodzenia), a także inne aspekty.

Wyrażenia te mogą brzmieć skomplikowanie, w istocie jednak tak nie jest.

Podstawowe zasady bezpiecznej pracy

Zapewnienie jakości: Przy wyborze materiałów do budowy elektrowni i ich obróbce podejmowane są liczne kontrole. Także już w czasie pracy reaktora przewiduje się stałe przeprowadzanie kontroli.

Dywersyfikacja, czyli różnorodność rozwiązań technicznych: Ponieważ zwielokrotnione systemy bezpieczeństwa tego samego rodzaju mogłyby wszystkie zawieść z tego samego powodu (np. ze względu na błędy konstrukcyjne), przewiduje się, dla tego samego celu, instalowanie urządzeń technicznie różnych (nazwa pochodzi od diversitas - w języku łacińskim = różnorodność).

Fail-Safe (zasada bezpiecznego uszkodzenia): Jeśli tylko jest to technicznie możliwe, urządzenia reaktora, w razie zepsucia się, są sprowadzane do bezpiecznego położenia.

Wytrzymałość na obciążenia: Systemy w elektrowniach jądrowych powinny stale wytrzymywać większe obciążenie niż to, które jest konieczne do codziennej pracy.

System odporny na błąd człowieka: W razie wystąpienia awarii system bezpieczeństwa reaktora pracuje samodzielnie i jest niezależny od możliwych nieprawidłowych zachowań personelu obsługi. System bezpieczeństwa „kontroluje sam siebie”.

Rozdzielność: Aby psujący się system bezpieczeństwa nie wpływał na system sąsiedni, nie posiadają one żadnych wspólnych części. Ponadto znajdują się one w odrębnych pomieszczeniach, znajdujących się pod szczególną ochroną.

Redundancja, czyli nadmiarowość: Istotne elementy systemu bezpieczeństwa są zwielokrotnione. Przewiduje się istnienie co najmniej dwóch systemów więcej (n+2), niż jest konieczne do funkcjonowania systemu (redundantia w języku łacińskim = nadmiar).

Redundancja (Nadmiarowość, zwielokrotnienie)

Słowo „redundancja“ pochodzi z łaciny (redundare – występować w nadmiarze) i stanowi fachowe określenie dla powiedzenia: „Podwójnie i trzykrotnie jest pewniej.” Znaczy to, że systemy bezpieczeństwa są zwielokrotniane: gdy zawiedzie jeden z nich, jego zadanie przejmuje następny. Funkcjonowanie takiego systemu można łatwo zrozumieć przyglądając się zasadzie działania wodociągu. Gdy zawiedzie jeden zawór, to do dyspozycji są jeszcze dwa następne, które otworzą dopływ wody. To wszystko brzmi już dość dobrze, jednak i tak nie zawsze wystarcza. Dlaczego? Kiedy, nawet w zwielokrotnionym systemie mogą wystąpić problemy?

…sama z siebie nie wystarczy

Kto sobie teraz myśli: „Jeśli dwukrotnie zamontuje się element niewłaściwie skonstruowany, to problem się nie tylko nie rozwiąże, ale wręcz zdubluje”, albo też „Jeśli jakiś system w sytuacji awaryjnej nie wystarczy, to nie ma też sensu zdawać się na jego duplikat” – ten oczywiście myśli jak najbardziej prawidłowo. Zdublowanie środków bezpieczeństwa jest sensowne wyłącznie w przypadku systemów prostych i przejrzystych. W przypadku skomplikowanych systemów jest to zabieg niewystarczający; tu, przy podwajaniu systemów bezpieczeństwa trzeba uwzględnić zasadę dywersyfikacji.

Dywersyfikacja, czyli różnorodność rozwiązań technicznych

Także to pojęcie pochodzi z łaciny: diversitas znaczy: zróżnicowanie. Oznacza to, że zamiast montować wielokrotnie ten sam system i w razie potrzeby przełączać się pomiędzy tymi systemami w tę i z powrotem, zakłada się różne systemy bezpieczeństwa, które się wzajemnie mogą zastąpić. Jeżeli tam, gdzie mieszkam, zdarzają się przerwy w dostawach energii elektrycznej lub gazu, to oprócz kuchenki elektrycznej czy gazowej dobrze jest mieć, „na wszelki wypadek”, turystyczne butle gazowe, paczkę świec i zapałki. W elektrowni jądrowej można na przykład z jednej strony filtrować powietrze w zbiorniku bezpieczeństwa – a z drugiej strony można tak zmniejszyć ciśnienie, aby w przypadku nieszczelności powietrze, które może być skażone, nie uciekało na zewnątrz. Realizacja obu koncepcji daje ten sam efekt – zapobieżenie wydostania się substancji radioaktywnych.

Rozdzielność

Aby psujący się system bezpieczeństwa nie wpływał na system sąsiedni, nie posiadają one żadnych wspólnych części. Ponadto znajdują się one w odrębnych pomieszczeniach, znajdujących się pod szczególną ochroną (także w zakresie budowlanym).

Fail-Safe, a także inne aspekty

Wszystkie systemy w elektrowniach powinny zawsze być zdolne do wytrzymania większych obciążeń, niż jest to potrzebne w codziennej pracy – na przykład, w razie konieczności, rury powinny znieść przeciążenie i nie mogą natychmiast pęknąć. Za sformułowaniem „Fail-Safe” kryje się także prosta zasada: gdy tylko pojawi się jakiś błąd, system powinien powracać do bezpiecznego stanu. Przykładem niech będzie sprawa prętów bezpieczeństwa w reaktorze jądrowym: w razie silnych odstępstw od normalnej pracy, reaktor może zostać wyłączony w ciągu kilku sekund, poprzez szybkie wprowadzenie prętów bezpieczeństwa. Ten „szybki strzał” jest uruchamiany automatycznie, jednak można go także aktywować poprzez wciśnięcie guzika alarmowego. Natomiast dzięki automatycznej technice sterowania system bezpieczeństwa reaktora pracuje samodzielnie i nie pozwala sobie przeszkodzić nawet w mało prawdopodobnej sytuacji fatalnego błędu personelu obsługi. Poza tym system „kontroluje również sam siebie”.

Co robić, jeśli to się mimo wszystko wydarzy?

Nawet gdy elektrownia jądrowa jest tak zaplanowana, że powinna pracować bezawaryjnie dziesiątki lat, to nie da się całkowicie wyeliminować prawdopodobieństwa zaistnienia awarii. Dlatego elektrownia jądrowa jest zbudowana na zasadzie rosyjskiej matrioszki: Pomiędzy kolejnymi osłonami znajdują się strefy podciśnienia i śluzy ciśnieniowe. W razie awarii ciepło jest odprowadzane przez awaryjny system chłodzenia, a promieniowanie jonizujące jest bezpiecznie „zamknięte”.

Zasada „rosyjskiej matrioszki“

Paliwo jądrowe jest, tak jak w matrioszce, zamknięte w elektrowni jądrowej w wielu osłonach. Tej najbardziej wewnętrznej nie widać na pierwszy rzut oka. To siatka krystaliczna ceramicznych pastylek paliwa jądrowego (UO2) w prętach paliwowych zatrzymuje 95¸98 % fragmentów rozszczepienia. Pręty paliwowe są poza tym gazoszczelne, tak więc gazy radioaktywne (do 5 %) fragmentów, które powstają bezpośrednio w reakcji rozszczepienia, nie zostają wypuszczone z elementu paliwowego.

Elementy paliwowe znajdują się w wodzie, która praktycznie w całości pochłania promieniowanie alfa i beta. Wszystko to otacza zbiornik ciśnieniowy reaktora – kolos z kilku setek ton stali, który nie przepuszcza nawet stutysięcznej części powstającego wewnątrz promieniowania gamma. W reaktorze ciśnieniowym wodnym Neckar II grubość ścian tego pojemnika wynosi 25 centymetrów, a ciężar własny (pustego zbiornika) 520 ton.

Wokół zbiornika ciśnieniowego reaktora znajduje się betonowa osłona, otoczona następnie zbiornikiem bezpieczeństwa – a nad tym wszystkim (w przypadku reaktora ciśnieniowego) wznosi się sklepienie obudowy bezpieczeństwa o metrowej grubości (w reaktorze wodnym wrzącym budynek jest kanciasty) dla ochrony przed wpływem czynników zewnętrznych.

Schemat sześciu barier bezpieczeństwa w elektrowni jądrowej: 1 – metaliczna struktura warstwy paliwowej, 2 – koszulka paliwowa, 3 – zbiornik reaktora, 4 – osłona biologiczna, 5 – obudowa bezpieczeństwa ze szczelną powłoką, 6 – budynek reaktora

6 barier bezpieczeństwa w elektrowni jądrowej [źródło: Informationskries KernEnergie]

Śluzy ciśnieniowe i podciśnienie

Znamy to na pewno z filmów science-fiction: W zewnętrznej powłoce statku kosmicznego otwierają się drzwi, astronauta przedostaje się do małego pomieszczenia, drzwi się zamykają i słychać syczenie. Po chwili otwierają się inne drzwi i astronauta dostaje się do wnętrza statku kosmicznego. Taka jest zasada działania śluzy ciśnieniowej: ciśnienie powietrza we wnętrzu statku pozostaje nienaruszone i powietrze nie uchodzi, gdy astronauta dostaje się do środka.

Podobnie rzecz ma się w elektrowni jądrowej, na przykład przy przejściu do obudowy bezpieczeństwa (jednakże przy innym układzie ciśnień; w tym przypadku ciśnienie wewnętrzne jest niższe niż zewnętrzne) – ponieważ gazy z wnętrza obudowy bezpieczeństwa nie powinny nawet w przypadku wchodzenia do niego, przenikać na zewnątrz. Tworzące się w elektrowni jądrowej radioaktywne gazy filtruje się przez filtry węglowe. Przepływają one przez nie tak długo, póki większość gazowych izotopów radioaktywnych nie ulegnie rozpadowi. Śluza ciśnieniowa gwarantuje również, że różnica ciśnień pomiędzy częściami wewnętrzną i zewnętrzną, zostanie zachowana: mamy tu system zachowania ciśnienia.

Awaryjny system chłodzenia

Przerwanie jednego z obiegów chłodzenia we wnętrzu obudowy bezpieczeństwa, to w przypadku reaktora lekkowodnego poważny incydent. Woda i para wydostają się wówczas z miejsca pęknięcia i gromadzą się w obudowie bezpieczeństwa. Pręty sterujące i pręty bezpieczeństwa są natychmiast opuszczane do reaktora, by zatrzymać reakcję łańcuchową. Jednocześnie blokowane są kanały odprowadzające parę.

W reaktorach ciśnieniowych stosowana jest obudowa bezpieczeństwa przystosowana do wysokich ciśnień. Stawia ona opór ciśnieniu, które powstałoby przy gwałtownym parowaniu czynnika chłodzącego. Natomiast w reaktorach z wrzącą wodą stosuje się obudowy bezpieczeństwa z systemem obniżania ciśnienia, gdzie para wodna ulega kondensacji w specjalnym basenie wodnym i w ten sposób ciśnienie ulega obniżeniu.

Dla odprowadzenia ciepła powstającego w rdzeniu, system bezpieczeństwa reaktora przewiduje co najmniej cztery rodzaje awaryjnych systemów chłodzenia. Zasadniczo spełniają one trzy zasady:

  1. Zapasy wody są wystarczające zarówno w obrębie jak i poza obudową bezpieczeństwa. Przy pomocy rurociągów, pomp i zaworów jest ona wpompowywana do zbiornika ciśnieniowego reaktora.
  2. Woda, która wydostaje się z miejsca przerwy i dociera do tzw. studzienki odprowadzającej obudowy bezpieczeństwa, jest pompowana z powrotem do zbiornika ciśnieniowego reaktora, albo jednego z zbiorników rezerwowych wody. Tak powstają obiegi awaryjne.
  3. Ponadto zainstalowane są też wymienniki ciepła, których zadaniem jest odprowadzanie do otoczenia ciepła porozpadowego z wyłączonego reaktora. Początkowo ciepło to stanowi 5 procent całej mocy reaktora, a zostaje obniżone do 2 procent.

Źródło: Nukleo.pl - portal wiedzy o energii jądrowej (w przygotowaniu)

Artykuł z serii przygotowanej przez Fundację po trzęsieniu ziemi w Japonii w marcu 2011 roku – wszystkie artykuły i odnośniki.