Koncept obrane po dubini

Sigurnost nuklearnih elektrana je od presudne važnosti za njezinu prihvatljivost kao elektroenergetskog objekta. Postiže se nizom mjera u fazi projektiranja, gradnje i pogona. Osnovna filozofija projektiranja nuklearne elektrane sa stajališta sigurnosti je konzervativni dizajn i tzv. koncept obrane po dubini.

Obrana po dubini podrazumijeva sustavne mjere za očuvanje funkcija opreme i sustava za sigurnost nuklearne elektrane, i to tako da oni u pogledu zaštite okoliša djeluju serijski, jedan iza drugog. Na taj način izgubljenu funkciju jednog zaštitnog sustava preuzima drugi. Barijere su stvarne fizičke barijere ugrađene u elektranu i tehničke mjere za zaštitu sigurnosnih sistema. Fizičke barijere koje sprečavaju prodor radioaktivnosti u okoliš su:

1. tableta nuklearnog goriva,
2. košuljica gorivnog elementa,
3. primarni rashladni krug
4. zaštitna zgrada (kontejnment).

Nuklearno gorivo se preša u obliku keramičke tablete u kemijskom spoju UO2. Posebnom kemijskom i mehaničkom obradom se postiže da tableta zadržava radioaktivne izotope (fisijske fragmente). Tabletama se zatim puni šipka od legure cirkonija, koja je dugačka oko 3,6 m i ima košuljicu debljine 0,5 mm. Šipke se slažu u pravilnu matricu koja se dodatno mehanički učvršćuje i predstavlja gorivni element. Njegova težina je oko 500 kg, a cijena oko 500.000 dolara. Npr. NEK ima 16x16 matricu goriva i njegova jezgra sadrži 121 gorivni element. Nakon košuljice goriva iduća barijera za prolaz radioaktivnosti jest primarni krug, kojim cirkulira rashladni fluid pod konstantnim tlakom od 155 bara. Sve je to smješteno u nepropusnu zaštitnu zgradu (kontejnment) koja bi u slučaju otkazivanja prethodnih barijera zadržala oslobođene radioaktivne tvari. Kontejnment je projektiran za tlačno opterećenje koje bi nastalo pri lomu jednog od primarnih cjevovoda, kada bi se tlak popeo na 4-5 bara.

Efikasnost navedenih fizičkih barijera bila bi znatno smanjena kada ne bi postojali tehnički sustavi koji bi štitili njihovu funkciju. To su npr. sustav za zaštitno hlađenje jezgre reaktora ( ECCS) i sustav za zaštitu kontejnmenta od prevelikog tlaka. Obvezne mjere koje se poduzimaju u projektiranju, gradnji i pogonu nuklearne elektrane radi poboljšanja djelotvornosti zaštitnih barijera su:

1. Konzervativni projekt nuklearne elektrane,
2. Osiguranje kvalitete u svim fazama gradnje,
3. Školovanje pogonskog osoblja i sigurnosna kultura,
4. Brza detekcija abnormalnih događaja,
5. Inspekcija opreme tijekom pogona elektrane.

Konzervativni projekt/dizajn nuklearne elektrane određuje način njenog projektiranja uz velike rezerve i pesimističke pretpostavke. Uz takvo projektiranje podiže se sigurnosna margina. Sustavi i komponente u pravilu su višestruki (redundantni), tako da kvar jedne komponente automatski aktivira njezinu zamjenu. Građevinski objekti nuklearne elektrane se projektiraju za pouzdanu izdržljivost na najnepovoljnije vanjske utjecaje koji se mogu pojaviti na geografskoj lokaciji elektrane, npr. seizmička aktivnost i atmosferski utjecaji. Višestruki mjerni i regulacijski kanali trebaju osigurati nadzor i upravljanje u svim uvjetima rada. Posebno se to odnosi na sustav za obustavu pogona i odvođenje ostatne topline iz reaktora. Sustav kontrole i osiguranja kvalitete svodi na najmanju mjeru mogućnost pogreške u gradnji i pogonu elektrane. Oprema sigurnosne klase prolazi posebne mjere kontrole. Cijeli sustav osiguranja kvalitete definiran je međunarodnim propisima.

Školovanje pogonskog osoblja nuklearne elektrane također ulazi u kategoriju aktivnosti koje su povezane s nuklearnom sigurnošću. Djelovanje sustava nuklearne elektrane stalno se prati, 24 h na dan, 7 dana u tjednu, pri čemu se sustavno i pravovremeno otklanjaju svi uočeni nedostaci.

Sigurnosne analize nuklearnih elektrane se tradicionalno dijele na:

• Determinističke – proučavaju se fizikalni fenomeni koji se javljaju kod raznih kvarova, koriste se neutronički i termohidraulički programi
• Probabilističke – identifikacija mogućih scenarija koji dovode do kvara, traženi parametar koji se želi identificirati jest rizik

Razvoj nuklearne energetike je doveo do potrebe za kvantifikacijom rizika od rada takvih postrojenja. Vjerojatnosne analize sigurnosti se zasnivaju na metodi koju je kasnih 1960-ih razvila NASA zajedno s američkim Ministarstvom obrane. Radi se o stablu događaja i stablu kvara pomoću kojih se identificiraju potencijalno mogući scenariji kvarova, računaju njihove vjerojatnosti i posljedice. Traženi parametar je rizik za okolinu zbog rada nekog tehnološkog sustava. Spoznaja o veličini nekog rizika i odluka o njegovoj prihvatljivosti mora se zasnivati na usporedbi tog rizika s ostalim rizicima kojim je čovjek izložen. Rizik je definiran kao produkt vjerojatnosti nastanka neželjenog događaja i njegovih posljedica.

Godišnji rizik za milijun stanovnika koji žive u blizini NE

Iz tablice slijedi da je rizik stanovništva koji živi u okolici nuklearnih elektrana neusporedivo manji zbog rada tih objekata nego zbog bilo kojih drugih uzroka (posebno od automobilskih nesreća). Vidimo da apsolutne sigurnosti u životu nema. Početkom 1970-ih je u SAD-u pokrenuta inicijativa za izradu studije rizika od rada nuklearnih elektrana pod realnim, a ne konzervativnim pretpostavkama. Ta sveobuhvatna studija, poznata pod imenom WASH-1400, je završena pod vodstvom prof. Rasmussena 1975. godine na MIT-u i predstavlja najopsežniju analizu rizika bilo kojeg tehničkog objekta do tada.

Opći zaključci studije WASH-1400 su sljedeći:
1. Nesreće koje dovode do oštećenja jezgre reaktora bez gubitaka integriteta zaštitne zgrade vrlo malo utječu na okoliš.
2. Rizici od reaktorskih nesreća kojima je izloženo stanovništvo manji su od rizika koji nastaju zbog drugih uzroka u svakodnevnom životu.
3. Vjerojatnost nastanka reaktorskih nesreća mnogo je manja od vjerojatnosti nastanka drugih nezgoda koje daju slične posljedice.

Sigurnosne analize nuklearnih elektrana daju kvantitativnu procjenu rizika od rada takvih postrojenja. Analize uzimaju u obzir i normalno i abnormalno pogonsko stanje. Kvantificiranje rizika je složen posao, prate ga konzervativne pretpostavke kod pojave inicirajućeg događaja. Nema nikakve sumnje da gradnja i rad svakog elektroenergetskog objekta nepovoljno utječe na okoliš. Pitanje je jedino koliki je radijus i način djelovanja na okoliš, što ovisi o vrsti energetskog izvora.

Primarna pažnja javnosti i investitora usmjerena je na rizik od nesreće na nuklearnom reaktoru sa oslobađanjem radioaktivnosti u okoliš. Zbog specifičnog rizika sigurnost je od početaka bila odlučujući kriterij kod izgradnje nuklearnih elektrana, rezultirajući u konzervativnim tehničkim i termodinamičkim parametrima goriva i rashladnog sustava. Zbog niske cijene urana učinak na ekonomiju bio je malen, ali je konzervativnost u projektiranju imala nepovoljan učinak na investicijske troškove. Opsežna probabilistička studija nuklearne sigurnosti WASH-1400 objavljena 1975. godine omogućila je uočavanje komponenata koje u većoj mjeri doprinose riziku i time racionalniju primjenu konzervativnog projektiranja. Veličina koja se koristi za kvantitativno izražavanje sigurnosti reaktora je vjerojatnost taljenja reaktorske jezgre VTJ ili CDF (Core Damage Frequency). Takav događaj počinje s nekim incijalnim kvarom, te se razvija pretpostavkom slijeda drugih kvarova koji mogu konačno dovesti do izostanka hlađenja jegre. Semi-empiričkom probabilističkom metodom računaju se doprinosi svih inicirajućih događaja da bi njihov zbroj dao ukupnu vjerojatnost taljenja jezgre reaktora. Analizom učestalosti inicirajućih kvarova za razdoblje 1969.-1974. došlo se do godišnje vjerojatnosti taljenja jezgre od 10^-4 do 10^-3. Jedno taljenje na reaktoru elektrane TMI (bez Černobilja kao reaktora irelevantnog za zapadnu reaktorsku tehnologiju) u 10.000 reaktor-godina pogona do 2005. potvrđuje procjenu. Brojna poboljšanja sigurnosti na lakovodnim reaktorima PWR i BWR tipa u pogonu, primjenjena nakon nesreće na TMI elektrani, drastično su smanjila vjerojatnosti taljenja jezgre. Analiza inicirajućih događaja u 1980-tim je dala je vjerojatnost taljenja jezgre oko 1•10^-4. Projekti novih reaktora koristili su rezultate prijašnjih sigurnosnih studija i time su postigli veliko smanjenje vjerojatnosti taljenja jezgre. Primjerice, za reaktor Sizewell B (PWR reaktor) koji je u pogonu od 1995. godine, CDF iznosi oko 1,1•10^-6. Slične, gotovo sto puta manje vrijednosti nego u 80-tim imaju i drugi novi projekti kao američki AP600 ili finski EPR reaktor Olkiluoto 3 koji je u gradnji.

Godišnja vjerojatnost taljenja reaktorske jezgre (VTJ/godini) kroz povijest

Taljenje reaktorske jezgre ne znači i širenje radioaktivnosti u okoliš, kao što je to pokazala nesreća na TMI elektrani. Zaštitna zgrada oko reaktora elektrane, premda znatno manje opremljena nego kod suvremenih elektrana i projekata, pokazala se djelotvornom. Zaštitna zgrada reaktora Olkiluoto 3 je projektirana da izdrži i udar zrakoplova. Zaštitna zgrada oko reaktora (bez koje je bio Černobiljski reaktor) smanjuje vjerojatnost širenja radioaktivnosti u okoliš na oko 3•10^-9, pa i manje. S tisuću reaktora u pogonu jedno taljenje jezgre moglo bi se očekivati u tisuću godina, a kada bi se dogodilo, vjerojatnost širenja radioaktivnosti u okoliš bila bi manja od jedan posto zahvaljujući zaštitnoj zgradi. To je izuzetan stupanj sigurnosti koji je prihvatljiv i za najgušće naseljena područja. Rad na unapređenju nuklearne sigurnosti svejedno se i dalje nastavlja u okvirima međunarodnih projekata kao što su INPRO i Generacija IV reaktora. Prioritet je daljnje smanjenje CDF faktora, što se treba u većoj mjeri ostvariti inherentnim fizikalnim karakteristikama i zakonitostima, a manje višestrukošću sigurnosnih sustava, što vodi u visoke investicijske troškove.

Kod nuklearnih elektrana kvar koji bi doveo do ispuštanja veće količine radioaktivnog inventara jezgre nazivamo nuklearnom nesrećom. Radioaktivnost može biti ispuštena u atmosferu, površinske i/ili podzemne vode i u zemlju. Međunarodna agencija za atomsku energiju (IAEA) i Agencija za nuklearnu energiju (NEA-OECD) su uvele ljestvicu sa 7 razina za identificiranje težine nuklearnih nesreća. To je tzv. INES ljestvica (International Nuclear Event Scale), a klasifikacija se provodi s obzirom na tri kriterija:
1. utjecaj na okoliš
2. utjecaj unutar granica postrojenja
3. stanje sigurnosnih barijera u postrojenju
Nulta razina su događaji bez utjecaja na sigurnost. Prva razina su anomalije u pogonu, a to su funkcijska i pogonska odstupanja vrlo malog rizika koja ukazuju na manjkavost sigurnosnih mjera. Zadnja, 7 razina, označava nesreću ogromnih razmjera, gdje je narušen integritet primarnog kruga i dolazi do ispuštanja velikog dijela inventara jezgre u atmosferu. Ako se promotri tablica kriterija po INES ljestvici, očigledno je da aktiviranje sustava pripravnosti i poduzimanje mjera zaštite stanovništva treba provesti samo ako se događaji klasificiraju kao stupnja 4 ili više.

Od značajnijih nesreća koje su se desile u povijesti nuklearne energetike spomenimo da je incident u tvornici za prerdu goriva Tokaimuri (1999.) zauzeo razinu 4, taljenje reaktorske jezgre u TMI elektrani (1979.) zauzelo razinu 5, a černobiljska katastrofa (1986.) najvišu, razinu 7.