(www.jaderna-chemie.cz, http://www.facebook.com/jaderna.chemie) SBORNÍK REFERÁTŮ ZE SEMINÁŘE 26.4.2011, ČVUT, FJFI, KJCH
Obsah: RBMK Reaktory... 3 Prováděný experiment před havárií na ČAES a další podobné aktivity na sovětských AES (Pre-accident experimental setting on Chernobyl NPP and similar activities on Soviet NPPs at that time)... 4 Průběh havárie Černobylské jaderné elektrárny... 5 Dutinový koeficient reaktivity... 6 Havárie v jaderné elektrárně Fukushima...6 Havárie jaderných reaktorů a biologické účinky ionizujícího záření (Accidents involving nuclear reactors and biological effects of ionizing radiation)... 7 Zdravotní následky havárie černobylského reaktoru a co se o nich dozvídala veřejnost (Health consequences of the Chernobyl nuclear reactor accident, and the kind of information about them presented to public)... 9 Radiační situace v České republice od černobylské havárie po současnost... 9 Stupnice INES (INES scale)... 10 1
Úvod KATEDRA JADERNÉ CHEMIE, FJFI, ČVUT v Praze Přesně 25 let po nejvážnější havárii na jaderné elektrárně, se dne 26.4.2011 konal na Českém vysokém učení technickém v Praze (ČVUT) na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské (FJFI) studentský seminář s názvem 25. výročí havárie v černobylské jaderné elektrárně. Tato akce byla iniciována studenty Katedry jaderné chemie (KJCH) z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské. Seminář byl pořádán za podpory Katedry jaderné chemie a Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské. Zúčastnili se ho jak středoškolští a vysokoškolští učitelé chemie a fyziky, tak i studenti závěrečných ročníků středních škol a studenti vysokých škol od bakalářského po doktorské studium. Celkový počet účastníků se pohyboval kolem 100. Široké spektrum studentský přednášek od reaktorové fyziky až po nejnovější informace o nedávné havárii ve fukušimské jaderné elektrárně bylo doplněno pozvanými přednáškami odborníků. Konkrétní přehled přednášek byl následující: prof. Ing. Jan John, CSc. (vedoucí KJCH, FJFI, ČVUT): Úvodní slovo; Pavel Boček (student Katedry jaderných reaktorů - KJR, FJFI, ČVUT): Základní informace o jaderné elektrárně Černobyl; Bc. Milan Štika (student KJCH, FJFI, ČVUT): RBMK reaktory; Ing. Ondřej Zlámal (Centrum výzkumu Řež): Prováděný experiment před havárií na ČAES a další podobné aktivity na sovětských AES; Ing. Martina Malá (studentka KJR, FJFI, ČVUT): Průběh havárie černobylské jaderné elektrárny; Ing. Tomáš Bílý (student KJR, FJFI, ČVUT): Dutinový koeficient reaktivity; Petra Malá (studentka KJR, FJFI, ČVUT): Havárie v jaderné elektrárně Fukušima; RNDr. Vojtěch Ullmann (Fakultní nemocnice s poliklinikou Ostrava): Havárie jaderných reaktorů a biologické účinky ionizujícího záření; Prof. RNDr. Jiří Hála, CSc. (Fakulta chemická, Vysoké učení technické v Brně): Zdravotní následky havárie černobylského reaktoru a co se o nich dozvídala veřejnost; Ing. Irena Malátová CSc. (Státní úřad radiační ochrany): Radiační situace v České republice od černobylské havárie po současnost; Ing. Irena Špendlíková (studentka KJCH, FJFI, ČVUT): Stupnice INES 1-7 a další jaderné havárie. Seminář byl dále v přestávkách doplněn o projekci videa Bc. Michala Jedličky z exkurze v jaderné elektrárně Černobyl a o zajímavé fotografie Mgr. Martina Vlka. Podrobnosti o programu, fotografie ze semináře a elektronická verze abstraktů přednášek, jakož i prezentace přednášek jsou na adrese http://www.jaderna-chemie.cz/ a http://www.facebook.com/jaderna.chemie. Ing. Jan Krmela KJCH, FJFI, ČVUT v Praze 2
Základní informace o JE Černobyl (Basic information about Chernobyl NPP) Pavel Boček Prezentace se věnuje obecným informacím o elektrárně, to jest tomu proč bylo rozhodnuto o její stavbě a o vybrané lokalitě. Dále se zmiňuje o topologii této konkrétní elektrárny (tzn. použitým metodám chlazení, rozvržení reaktorů a turbín), rozebírá vliv stavby na okolí (nepočítaje samotnou havárii) a osud elektrárny po roce 1986. Presentation is obtained general information about the power plant, specificaly, why it was decided to build it, and about choice of the site. It also mentions topology of this specific power plant (used cooling metodes, reactors and turbines layout), analyses influence on neigbourhood (without the accident) and destiny of the nuclear power plant after the year 1986. RBMK Reaktory Bc. Milan Štika Sovětský reaktor typu RBMK (LWGR) sehrál při havárii v JE Černobyl významnou roli. Vzhledem k jeho konstrukci nabyla havárie mnohem závažnějších rozměrů, než jakých mohla kdy nabýt u jiných reaktorových typů. V přednášce jsou diskutovány jednotlivé aspekty reaktoru a jsou srovnávány s reaktorovým systémem VVER (PWR). Konstrukce reaktorů RBMK byla v bývalém SSSR motivována především ekonomickými a vojenskými aspekty, bezpečnostnímu hledisku nebyla věnována dostatečná pozornost. Samotný reaktor byl jedním z faktorů přispívajících k havárii, nikoliv však jediným. The Soviet RBMK (LWGR) reactor played significant part in Chernobyl accident. Due to its distinct construction the accident gained more severe consequences than it would have gained otherwise. In the lecture individual reactor aspects are discussed and are compared to VVER (PWR) reactor system. The RBMK reactor construction in former USSR was motivated mainly by economic and military aspects; the safety aspect did not receive proper attention. The reactor itself constituted one of several factors contributing to the accident, but it was not the only one. 3
Prováděný experiment před havárií na ČAES a další podobné aktivity na sovětských AES (Pre-accident experimental setting on Chernobyl NPP and similar activities on Soviet NPPs at that time) Ing. Ondřej Zlámal Havárii na 4. energobloku černobylské jaderné elektrárny (ČAES), která se stala hodinu a 23 minut po půlnoci z 25. na 26. dubna 1986, předcházel experiment s doběhem turbogenerátoru, jehož provedení přímo iniciovalo sled událostí vedoucích k nejtěžší jaderné havárii v dějinách lidstva. Experiment, jehož cílem bylo zvýšení bezpečnosti a využití jaderné elektrárny, byl obsluhou bloku pojímán jako ryze elektrická záležitost, nemající k jaderné bezpečnosti žádný vztah. Slabiny v konstrukci reaktoru RBMK-1000, nízká úroveň jaderné kultury a hlavně hrubé porušení provozních předpisů ze strany řídícího personálu vedly k podcenění vážnosti fyzikálního stavu aktivní zóny před započetím experimentu a připravily půdu pro krátkodobý neřízený rozvoj štěpné řetězové reakce. Ta vedla k extrémnímu nárůstu teplot, destrukci palivových kanálů a parní explozi, následované chemickou reakcí mezi párou a rozžhaveným grafitem, resp. kovovými vestavbami AZ. Je smutnou skutečností, že již dříve provoz grafitem moderovaných kanálových reaktorů nebyl zcela bezproblémový a došlo k několika závažnějším událostem (např. na Leningradské AES v roce 1975), které dávaly tušit, že konstrukční řešení reaktorů RBMK není optimální. Odborné kruhy věděly o problémech vnosu kladné reaktivity, které byly dlouhodobě řešeny na produkčních reaktorech ADE v Tomsk-7, ale jejich závažnost nebyla plně doceněna neboť bezpečnostní systémy vždy zabránily havarijnímu průběhu události. Příspěvek se věnuje přípravě experimentu s turbogenerátorem na ČAES, vývoji situace až do okamžiku překročení kritičnosti a následnému průběhu havárie. Částečně také popisuje dřívější zkušenosti s nárůstem kritičnosti na grafitem moderovaných kanálových reaktorech. Sever accident on Chernobyl s 4 th unit, which happened hour and 23 minutes after midnight on April 26, 1986 was preceded and initiated by turbogenerator-related experiment, which directly led to most serious nuclear accident in history worldwide. Experiment itself, which was ironically focused on further improvement of nuclear safety and increase of power plant s exploitation efficiency, was poorly prepared and generally considered to be purely electric-related, with no connections to nuclear safety. RBMK design flaws, low understanding of nuclear culture and mostly the sever violation of operation regulations by shift technicians led to deep misunderstanding of reactor core s status and set the stage for short-time uncontrolled nuclear chain reaction. Such occurrence was accompanied by extreme temperature increase, destruction of fuel channels and steam explosion, followed by chemical reaction between escaping steam and heated graphite and metal core internals, respectively. It is sad fact that reactivity excursion problems were well-known on channel-type graphitemoderated reactors and operation experience from other RBMK reactors were far from flaw-less; few serious accidents (for instance on Leningrad NPP in 1975) shed light on RBMK construction design disadvantages. Experts knew about reactivity-related problems on channel-type reactors, which were repeatedly for long time periods met on ADE production reactors in Tomsk-7, but their serious impact was underestimated as they never developed to emergency due to robustness of safety systems. Paper deals with turbogenerator experimental setting on Chernobyl NPP prior the accident, development of event until the moment of criticality and following progression of accident. It also partly describes earlier experience with criticality excursions on graphite-moderated channel-type reactors. 4
Průběh havárie Černobylské jaderné elektrárny Ing. Martina Malá Konec dubna 1986 se do historie zapsal událostí, která změnila směr vývoje jaderné energetiky. Bezpečnostní zkouška na čtvrtém bloku odstartovala největší jadernou havárii v dějinách lidstva. Před plánovanou odstávkou reaktoru typu RBMK-1000 měl proběhnout běžný test, který měl ověřit, zda je generátor při svém setrvačném doběhu schopen ještě necelou minutu napájet havarijní čerpadla. Test proběhl při nejnižším možném výkonu, při kterém ještě bylo povoleno reaktor provozovat. Operátoři odstavili jednu ze dvou turbín, odpojili havarijní chlazení a přerušili přívod páry na odstavenou turbínu. Sled následujících událostí, chyby personálu, chyby v projektu, nedostatečné bezpečnostní analýzy, nízká kultura bezpečnosti, politické souvislosti a tlak prostředí způsobily, že den s datem 26. dubna zůstane nezapomenut. Tento den tvoří milník jaderné energetiky jak v dobrém, tak špatném smyslu. Černobylská havárie znamenala traumatizující zážitek, na druhou stranu se však stala základem mezinárodní solidarity a spolupráce. The end of April 1986 is written into history with an event that changed the direction of development of nuclear energy. Safety test at unit 4 launched the largest nuclear accident in a history. Prior to the planned shutdown of the RBMK-1000 reactor a normal test had to be carried out; it should had determine whether the generator in its deceleration inertia was able to power emergency pumps for little less than one minute. The test took place at the lowest possible power rate at which the reactor was still allowed to operate. Operators shut down one of two turbines, disconnected emergency cooling system and cut off steam supply to the triped turbine. The sequence of following events, personnel s mistakes, project design flaws, inadequate security analyses, low safety culture, political context and pressure on continuation of operation caused that 26 April will remain unforgetable. A milestone for nuclear energy was made that day, in both good and bad meaning. The Chernobyl accident constituted a traumatic experience, but on the other hand it became the basis of the international solidarity and cooperation. 5
Dutinový koeficient reaktivity Ing. Tomáš Bílý Spojení kladný dutinový koeficient reaktivity je často uváděno ve spojení s reaktory typu RBMK a černobylskou havárií.cílem přednášky je objasnit fyzikální podstatu dutinového koeficientu reaktivity a uvést ho do souvislosti s ostatními zpětnovazebními charakteristikami jaderného reaktoru. Zároveň blíže popsat jeho význam v souvislosti s podmínkami panujícími v černobylském reaktoru v okamžiku nehody. Závěrem jsou představeny opatření provedená ke snížení dutinového koeficientu reaktivity v reaktorech RBMK. The term positive void reactivity coefficient is often associated with the RBMK reactors and the Chernobyl accident.the aim of the lectureis to clarify the physical background of void reactivity coefficient in relation to other reactor s feedback characteristics, as well as to describe its importance with respect to circum stances of the Chernobyl s reactor status at the time of the accident. Finally, the post-accident measures leading to decrease the void reactivity coefficient of RBMK reactors are given. Havárie v jaderné elektrárně Fukushima Petra Malá Na přednášce se dozvíte o problémech jaderných elektráren v Japonsku po zemětřesení 11. března 2011. O lokalitě, kde stojí nejponičenější elektrárna Fukushima, o tom, proč se jaderná elektrárna nedá rychle vypnout, proč vzniká vodík, o dochlazovacích systémech, o průběhu havárie. Bude zmíněna také aktuální situace na všech blocích a následky havárie na okolní prostředí zaměstnance i obyvatele nejbližších měst, kontaminace pitné vody a potravin a kontaminace mořské vody a atmosféry včetně výsledků měření v České republice. Zmíněny budou také politické následky, zejména v Japonsku a Německu. At my talk you will learn about the problems of nuclear power plants in Japan after the earthquake on 11th March 2011. I will talk about the locality, where the most damaged power plant Fukushima stands, about why a nuclear power plant cannot be quickly shutted down, why hydrogen emergesthere, about aftercooled systems, about the accident progress. The current situation in all reactors in Fukushima will be mentioned, as well as the consequences of the accident on the environment employees of the power plant, residents from the nearest towns, contamination of drinking water, food, seawater and atmosphere including results of measurements in Czech Republic. The political consequences, especially in Japan and Germany, will be also mentioned. 6
Havárie jaderných reaktorů a biologické účinky ionizujícího záření (Accidents involving nuclear reactors and biological effects of ionizing radiation) RNDr. Vojtěch Ullmann V přednášce jsou nejprve diskutovány různé možnosti získávání energie z hmoty - chemické reakce (hoření), jaderné štěpení a fúze, gravitační energie z rotujících černých děr, anihilace hmoty a antihmoty. Dále jsou zmíněny fyzikální principy jaderných reaktorů, jejich činnost a možnosti poruch a havárií - za probíhající řetězové štěpné reakce i u "odstaveného" reaktoru vlivem zbytkového tepelného výkonu způsobeného radioaktivitou štěpných produktů. Jelikož technická havárie jaderného reaktoru je často spojena s únikem radioaktivních látek - radiační havárií, může to vést k nežádoucím biologickým účinkům ionizujícího záření. Působení ionizujícího záření na živou tkáň zahrnuje řadu složitých procesů fyzikálních, fyzikálněchemických, (bio)chemických a biologických. Většina těchto procesů probíhá na molekulární a sub-celulární úrovni a nakonec vyúsťují v poškození buněk, tkání, orgánů i celého organismu - v biologické účinky deterministické a stochastické. Závislost biologického účinku na absorbované radiační dávce D je velmi dobře vyjádřena lineárně-kvadratickým modelem (LQ model): N = No. e -( α.d+ β.d2), -ln(n/n0) = α.d + β.d 2, kde No je výchozí počet buněk, N je počet přežilých buněk, α a β jsou parametry vyjadřující průměrnou pravděpodobnost α-poškození na jednotku dávky a β-poškození na čtverec dávky; jejich hodnoty se liší pro různé druhy buněk (α 0,1 0,8 Gy -1, β 0,01 0,1 Gy -2 ). Tato závislost platí především pro deterministické účinky, avšak implicitně leží i v základech pravděpodobnosti vzniku stochastických účinků. V přednášce rozebereme některé mechanismy účinků záření především na molekulární a subcelulární úrovni (především z hlediska interakcí s DNA) a zmíníme některé nové radiobiologické poznatky: vliv vícečásticových interakcí u hustě ionizujícího záření, bystanderefekt indukovaného radiačního účinku v tkáni a hyper-radoiosenzitivitu buněk v oblasti nízkých dávek. Více informací: http://www.astronuklfyzika.cz/radiacniochrana.htm V další části budeme diskutovat některé nové konstrukce štěpných jaderných reaktorů - kompaktní samoregulační reaktory (na bázi hydridu uranu), transmutační palivové cykly (uran-plutoniový a thorium uranový), "solné" reaktory, chemicko-isotopovou separaci a urychlovačem řízenou transmutační technologii ADTT. Tyto nové koncepce podstatně omezí riziko havárií a hlavně umožní přepracování radioaktivních odpadů z reaktorů (jejich "jaderné spálení"). Konečným řešením jaderné energetiky však bude teprve termonukleární jaderná fúze, která při podstaně vyšší účinnosti nebude prakticky produkovat žádný radioaktivní odpad (uzavřený lithiumtritiový cyklus) a bude naprosto bezpečná proti jaderné havárii. Budeme diskutovat možnosti inerciální fúze a především technologie tokamaků. Na závěr se krátce zamyslíme nad termonukleárními reakcemi v nitru hvězd a nad výbuchem supernovy - největší "jadernou havárií" ve vesmíru a jeho rizicích pro život. Více informací: http://astronuklfyzika.cz/jadradfyzika3.htm#jadernaenergie The lecture first discusses the various options for obtaining energy from matter - the chemical reaction (burning), nuclear fission and fusion, gravitational energy from rotating black holes, matter and antimatter annihilation. Furthermore, there are mentioned physical principles of nuclear reactors, their activities and the possibility of failures and accidents - for the current chain fission reaction, as well as for "parked" reactor due to residual thermal reactor power caused by the radioactive fission products. 7
Since the technical accident of a nuclear reactor is often associated with the release of radioactive materials - radiation accidents, it can lead to adverse biological effects of ionizing radiation. Effects of ionizing radiation on living tissue involve many complex processes of physical, physicalchemical, (bio) chemical and biological. Most of these processes take place at the molecular and sub-cellular level and eventually result in damage to cells, tissues, organs and the whole body - the biological effects of deterministic and stochastic. Dependence of biological effect of radiation on absorbed dose D is very well expressed by the linear-quadratic model (LQ): N = N o. e (α.d+β.d2), -ln(n/n 0 ) = α.d + β.d 2, where N o is the initial cell number, N is the number of survivor cells, α and β are parameters expressing the average probability of α-damage per unit dose and β-damage to the square dose, their values are differ for different types of cells (α 0,1 0,8 Gy -1, β 0,01 0,1 Gy -2 ). This dependence is especially true for deterministic effects, but implicitly it is also found in the basic probability of stochastic effects occurrence. The lecture will discuss some of the mechanisms of radiation effects in particular at the molecular and subcellular level (especially in terms of interaction with DNA) and will mention some new findings in radiobiology: influence of multi-particle interactions in a densely ionizing radiation, bystander-effect of induced radiation effect on the tissue and hyper-radiosensitivity of cells in low doses area. More information: http://astronuklfyzika.cz/radiacniochrana.htm In the next section, we will discuss some new designs of nuclear fission reactors - compact selfregulating reactors (based on uranium hydride), transmutation fuel cycles (uranium-plutonium and thorium-uranium), "salt" reactors, chemical-isotope separation and accelerator driven transmutation technology ADTT. This new approach significantly reduces the risk of accidents and more importantly, will enable the reprocessing of radioactive waste from reactors (the "nuclear burning!). But the ultimate solution to nuclear energy in the future is thermonuclear fusion, in which greater efficiency will produce virtually no radioactive waste (lithium-closed-tritium closed cycle), and will be completely safe from a nuclear accident prospective. We will also discuss the possibility of inertial fusion technology and, in particular tokomaks technology. In the end, we will touch on the thermonuclear reactions inside stars and the supernova explosion - the largest "nuclear accident" in the universe and its risks for life. More information: http://astronuklfyzika.cz/jadradfyzika3.htm#jadernaenergie 8
Zdravotní následky havárie černobylského reaktoru a co se o nich dozvídala veřejnost (Health consequences of the Chernobyl nuclear reactor accident, and the kind of information about them presented to public) Prof. RNDr. Jiří Hála, CSc. Příspěvek shrnuje údaje o zamoření území na Ukrajině, v Bělorusku a Rusku, následné evakuaci obyvatelstva a zdravotních následcích havárie v těchto zemích. Jsou uvedeny známé a potvrzené údaje o deterministických účincích - akutní nemoci z ozáření a následných úmrtích a o účincích stochastických, především výskytu rakoviny štítné žlázy. Dále jsou zmíněny současné znalosti o dalších možných zdravotních účincích leukémii a jiných nádorových onemocnění, onemocnění kardiovaskulárního systému a postižení novorozenců. Stručně je zmíněna radiační situace v Evropě po havárii. Jsou uvedeny příklady neseriózního informování o zdravotních účincích na Ukrajině, v Bělorusku, Rusku a v České republice. The contribution summarizes data on contamination of territories in Ukraine, Belarus and Russia, on subsequent evacuation of inhabitants from these territories and health consequences in the three countries. Presented are known and confirmed data on deterministic effects acute radiation syndrome and ensuing deaths, and on stochastic effects, particularly on the incidence of thyroid cancer. Also mentioned is contemporary knowledge of other health effects, such as leukemia and other cancer types, cardiovascular diseases, malformations in newly born children and mortality within population. Radiation situation in Europe after the accident is shown briefly. Examples are given of distorted and erroneous information published on health effects of the accident in Ukraine, Belarus, Russia and the Czech Republic. Radiační situace v České republice od černobylské havárie po současnost Ing. Irena Malátová CSc. 9
Stupnice INES (INES scale) Ing. Irena Špendlíková Podobně jako jsme se naučili měřit teplotu ve stupních Celsia či sílu zemětřesení pomocí Richterovy stupnice, tak i dnes je čím dál více skloňována i stupnice INES (International Nuclear and radiological Event Scale). Tato sedmistupňová škála posuzuje závažnost nehod a poruch nejenom v jaderných zařízeních, ale také pamatuje na krádež, ztrátu či nález radioaktivních materiálů. V roce 1990 byla zavedena Mezinárodní agenturou pro atomovou energii (MAAE, popř. IAEA) a Agenturou pro jadernou energii Organizace pro ekonomickou spolupráci a rozvoj (OECD/NEA) pro klasifikaci událostí v jaderných elektrárnách a v roce 1992 byla rozšířena tak, aby mohla být aplikována na jakékoli události spojené s civilním jaderným průmyslem. Prvotním cílem zavedení této stupnice bylo usnadnit komunikaci mezi jaderným společenstvím, médii a veřejností. Mezi nejzávažnější události, stupeň 7 na stupnici INES, dnes řadíme jadernou havárii v Černobylu v roce 1986 a jadernou havárii ve Fukušimě z letošního roku. I když jsou obě události klasifikovány stejným stupněm, Černobylská havárie zůstává tou nejčernější. Just like we have learnt to measure the temperature in the Celsius scale or earthquakes in the Richter scale, the International Nuclear and radiological Event Scale (INES) has been recently used very often in public. This seven-level scale classifies the severity of accidents not only in nuclear facilities, but it also includes the theft, loss or discovery of radioactive materials. In 1990 the International Atomic Energy Agency (IAEA) introduced the INES scale in cooperation with the Nuclear Energy Agency Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD/NEA) and in 1992 the INES scale was extended in order to be applied to any events related to the civil nuclear industry. The primary aim was to facilitate communications between the nuclear society, news media and public. The most severe events, level 7 of the INES scale, are the Cernobyl accident in 1986 and the nuclear accident in Fukusima occurring this year. Even though both events are classified with the same level, the Cernobyl accident remains the worst that ever happened. 10