Slik oppstår nedsmelting

I tillegg til enorme ødeleggelser fra jordskjelvet og tsunamien har Japan fått en kjernekraftulykke i hendene.

Gammelt anlegg

  • Anlegget i Fukushima er gammelt (fra 1971 og 1974) og ville ikke bli bygget slik i dag.
  • Et moderne anlegg kan klare seg helt uten ekstern strøm fordi et svært vannreservoar lagres over brenselstavene og kan tappes inn i kjernen kun ved hjelp av ”passiv” tyngdekraft.
  • På samme måte slippes kontrollstaven ned i stedet for å være avhengig av mekaniske systemer. Hvis det verste skulle skje og stavene går i oppløsning, vil uranpelletene falle ned i flere adskilte brønner hvor de ikke oppnår kritisk masse.
  • Krav til tålegrense for bølgehøyde rundt slike anlegg er også økt betydelig fra de 6,5-meter som var kravet i 1971.


Da sensorene ved kjernekraftverket i Fukushima fanget opp akselerasjonen i berggrunnen på grunn av det enorme jordskjelvet i havet utenfor, trådte øyeblikkelig det viktigste sikkerhetstiltaket i funksjon.

Sviktet

I løpet av et sekund ble kontrollstavene skutt opp og inn mellom brenselstavene slik at kjernereaksjonene stoppet i de fire reaktorene. Hadde da kjølesystemene virket som de skulle, hadde faren vært over.

Men når både hovedstrømforsyning sviktet og reserveaggregatene ble oversvømt, slik at kjølevannspumpene ikke fikk strøm til å fungere, ble situasjonen kritisk.

Selv om den primære kjernereaksjonen ble stoppet, utvikles fremdeles enorme mengder varme som må bort fra den nedstengte reaktoren.

Kjedereaksjon

Mange spaltningsprodukter er radioaktive isotoper som avgir stråling og mye varme mens de henfaller til et stabilt grunnstoff.

Hvor fort denne prosessen går, varierer enormt etter hvilket stoff det er snakk om. Det er vanlig å snakke om halveringstid som er tiden det tar før mengden av stråling er halvert.

Den kan variere fra sekunder til år, og etter fem til sju års våt-lagring er normalt kjernefysisk avfall kaldt nok til at det kan deponeres i sikre langtidslagre.

Det kan ta opp til 700 år før strålingen har avtatt ned til normalt/ufarlig nivå.

Kjernereaktor-01 1103160944.jpg Se stor utgave av grafikken

Varmer lenge

Når et kjernekraftverk stenges, gjøres det først med kontrollstaver. De er konstruert med materiale som absorberer nøytroner effektivt slik som kadmium.

Det gjør at kjernereaksjonen i anlegget stopper umiddelbart. Den enkelte brenselstav har ikke nok fissilt materiale til å opprettholde reaksjonen.

Selv om den nukleære kjedereaksjonen er stanset, stopper ikke varmeutviklingen. For det første inneholder brenselstavene enormt mye restvarme.

Dessuten fortsetter varmeutviklingen fordi de radioaktive spaltningsproduktene fortsetter å henfalle og denne prosessen genererer varme.

Strålingen fra spaltningsproduktene avtar eksponentielt og med normal nedkjøling/avstengning (ved å pumpe vann igjennom reaktorkjernen) er brenselet avkjølt nok til å kunne håndteres i løpet av 5–7 dager.

Les også: Tyskland stenger sju kjernekraftverk

– Hva i helvete foregår?

Storimport av energi i Japan

Kokvannsreaktor

Som de fleste anleggene i Japan er kjernekraftverket i Fukushima en såkalt kokvannsreaktor (BWR – Boiling Water Reactor).

Selve reaktortanken (Reactor Pressure Vessel ”RPV”) er en stålkontainer med vegger som er rundt 10 cm tykke. Inne i den finner vi brenselstavene og kontrollstavene.

Når kontrollstavene trekkes ut, starter kjernereaksjonene og genererer varme som overføres til vannet som omslutter stavene. Når vannet koker og blir til damp ledes den ut og driver en turbin.

I en slik reaktor er altså vannet og dampen lett radioaktivt, men sirkulerer i et lukket system. Etter at dampen har forlatt turbinen, blir den kjølt ned og kondensert før vannet pumpes tilbake.

Overskuddsvarmen ledes bort i sjøvann som varmeveksles mot den radioaktive vannkretsen.

Betong

Rundt stålkontaineren er det bygget en svært kraftig betonginnkapsling (”reactor containment structure”) som en barriere mot utsiden.

Den skal både beskytte mot indre trykk og radioaktivitet – og – beskytte mot eventuelle terrorist-angrep utenfra.

Den står igjen inne i en bygning med vanlige ”fabrikkvegger”.

Brenselet

Det kjernefysiske brenselet er bygget opp i form av små sintrede uranpellets hvor andelen av fissilt U235 er konsentrert fra rundt 0,71 prosent i naturlig uran, som hovedsakelig består av den ”ubrukelige” isotopen U238. For å bli brukbart kjernebrensel må andelen U235 oppkonsentreres/anrikes til rundt 4,5 prosent.

Disse pellets puttes igjen inn i rør av zirkonmetall som forsegles i begge ender. Slike rør settes så inn i rammer av zirkon slik at de står tett side om side og blir til ”brensels-knipper”.

I Fukushima bruker man 8x8 brenselsknipper. En full ladning av anlegget i Japan består av rundt 300 slike brenselsknipper.

Selve brenselrøret er en viktig del av innkapslingen og hindrer at en del av de farlige gassene å komme ut.

atomkraftverk_rettet 1103161139.jpg

Oksiderer

Vanligvis er det et trykk på rundt 75 bar og en vanntemperatur på rundt 300 grader inne i stålkontaineren. Om kjernereaksjonen stoppes, og deretter reaktoren ikke får nødvendig nedkjøling – vil vannet inne i reaktortanken forvandles til damp, og både trykk og temperatur stiger dramatisk.

Ved rundt 500 grader begynner kjølevannet å reagere/oksidere med zirkonmetallet og det produseres store mengder hydrogengass inne i reaktortanken.

Zr + 2H 2O -> ZrO 2 + 2H 2

Varmen fra oksidasjonen bidrar til temperaturøkningen. Den høye temperaturen svekker også zirkonet og kan slippe ut gasser fra brenselet inne i rørene som holdes på plass under vanlig drift.

Gassene er normalt spaltningsprodukter som xenon, krypton, men ved en slik temperatur er også radioaktiv jod og cesium flyktig.

Les også: – Helt utenkelig med et nytt Tsjernobyl

Liten tsunami-risiko i Norge

I verste fall

Det verste som kan skje er at zirkonmetallet i rørene oksiderer til det nivå at de går i oppløsning slik at uranpelletsene faller ut – ofte kalt en ”nedsmelting”.

Da vil de kunne konsentreres i bunnen av stålbeholderen og utvikle enda mer varme. Går det riktig ille, kan kjernereaksjonen starte opp igjen.

I et slikt tilfelle vil uranet kunne bli så varmt at det smelter seg ut av bunnen i anlegget. Det vil i så fall bety enorme skader i form av forurensinger.

For at det ikke skal skje må man sørge for at det tilføres mer kjølevann og at trykket slipper ut. Restvarmen og den frigitte energien fra spaltingsproduktene må fjernes fra reaktorkjernen, og det var her det gikk galt i Japan.

Uten tilgang på strøm, fikk man ikke i gang kjølepumpene som altså skulle ha gitt aktiv kjøling i de nødvendige fem til sju dagene etter en nedstengning. Med mangel på kjølevann synker vannivået inne i reaktortanken mens trykket og temperaturen stiger.

Ødelagt for alltid

Japanerne besluttet helt riktig å slippe ut trykk gjennom sikkerhetsventiler og filter, for å unngå en fatal eksplosjon.

Den utventilerte, filtrerte gassen inneholdt mye hydrogen og det var denne hydrogengassen inne i den ytre fabrikkbygningen som forårsaket eksplosjonene.

All ventilasjon fra kjernen skal skje via radioaktive filtre som skal fange opp de farligste gassene.

I mangel på fungerende kjølepumper og ferskvann, har japanerne i skrivende stund sluppet inn sjøvann i reaktor 1 og 3 for å kjøle ned kjernen.

De har tilsatt store mengder bor som absorberer nøytroner og som skal bidra til at ikke kjernereaksjonen starter igjen.

Sjøvannet vil sannsynligvis stabilisere situasjonen, men samtidig vil det ødelegge anlegget for fremtidig bruk.

Kilde: Teknologidirektør i Thor Energy, Julian F. Kelly

Les også: Atomkraftverk evakuert

– Kjernekraftillusjonen har sprukket

– Ekstrem situasjon