Tuumajaamade ohutus- ja turvasüsteemid

Kõigepealt tuleb rõhutada, et tuumajaamade reaktorid ei saa mitte mingil juhul pommilaadselt plahvatada. Tuumkütuses on uraani ja plutooniumi nelikümmend korda vähem, kui on plahvatuslikuks ahelreaktsiooniks vaja. Peamised ohutusmured on alati olnud seotud radioaktiivsete ainete kontrollimatu paiskumisega keskkonda ning väljapoole tuumaelektrijaama kanduva radioaktiivse saastaga.

Varem arvati, et kõige tõenäolisem on peamise jahutussüsteemi avarii, mis viib reaktori aktiivse tsooni sulamiseni. Kogemus ja uuringud pärast Three Mile Islandi õnnetust tõestasid aga lausa vastupidist – isegi reaktori tuuma sulamine ei põhjustanud võimsuse plahvatuslikku kasvu ega kaitsekesta purunemist.

Maksimaalse ohutuse saavutamine

Maksimaalse ohutuse tagamiseks kasutavad Lääne reaktorid nn süvakaitsekontseptsiooni, mille puhul mitu ohutussüsteemi toimib ilma välise juhtimiseta.

Kõikidel praegu ehitatavatel reaktoritel on nii passiivsed kui ka aktiivsed ohutussüsteemid. Passiivsed süsteemid võivad ilma välise juhtimise ja elektritoiteta olla ohtu tekitamata avariiolukorras pikka aega.

Praegu rakendatava nn ohutu reaktori kontseptsioon hõlmab:

• kvaliteetset projekteerimist ja ehitamist;
• seadmete ja detailide kvaliteedi kontrollimist igas valmistamisastmes; seadmete põhjalikku kontrollimist töötamise ajal;
• käitusprotseduuride tehnilist kaitsmist, võimalike avariide lokaliseerimist ning uraani lõhustumisest põhjustatud emissiooni vältimist;
• käituskogemuste arendamist ning uute tehnoloogiliste lahenduste ulatuslikku rakendamist.

Nende tingimuste täitmiseks on reaktori aktiivtsooni ja väliskeskkonna vahel füüsilised tõkked ning välise juhtimiseta süsteemid, mis välistavad inimlikud vead. Ohutussüsteemidele kulub veerand kõikidest kapitalimahutustest.

Tavapärases kergveereaktoris on tuumkütus tahkete pelletitena tsirkooniumi sulamistorudes, moodustades kütusevardad, mis paiknevad reaktori paksust terasest korpuses. Õnnetus Three Mile Island’i reaktoriga tõestas, et ka suure hulga (50 tonni) tuumakütuse sulamise korral reaktori põhja, suudab korpus edukalt täita oma kaitsefunktsiooni. Reaktoris vabanev soojus kandub rõhu all olevale veele, mis pumbatakse torustikke pidi aurugeneraatorisse. Reaktor koos pumpade ja aurugeneraatoritega on omakorda suletud metallist lisakesta ning tugevasse, vähemalt ühe meetri paksusesse raudbetoonist kaitsekesta.

Enamikul reaktoritel on kaks peamist turvameedet füüsilised – temperatuuri negatiivne tagasiside ja negatiivne mulliefekt. Esimene tähendab seda, et temperatuuri tõustes vee tihedus väheneb ja neutronite aeglustumine pidurdub, neutronid jäävad „kiireks“ ning ei suuda uusi tuumasid lõhestada. Ka aurumullid vähendavad vee neutroneid aeglustavat toimet.

Peale neutroneid absorbeerivate kontrollvarraste, reaktori jahutamise ja kaitsekesta on oluline reaktori avariijahutus, mis eemaldab liigse soojuse ja välistab keskkonna saastamise. Tavalised turvasüsteemid on aktiivsed, st et nende jaoks on vaja elektrilist või mehaanilist toimemehhanismi. Mõned turvasüsteemid toimivad aga passiivselt – nende jaoks ei pea operaatorid ega automaatsüsteem andma mingit sisendit ega ole vaja rakendada elektri- või muud jõudu (nt rõhuventiile). Passiivsed ohutussüsteemid tuginevad sellistele loomulikele füüsilistele nähtustele nagu konvektsioon, gravitatsioon või rõhuvahe ning sellised süsteemid on tänu oma autonoomsusele reaktoritehnika viimane sõna.

Ajakohased tuumajaamad on varustatud süsteemidega, mis maavärina korral reageerivad automaatselt ning kontrollivad, kas tuumajaama ohutu opereerimine on võimalik. Kõik viimastel kümnenditel ehitatud tuumajaamad peaksid olema suutelised üle elama 5-magnituudilist maavärinat, mitu reaktorit on talunud ka 7-magnituudilisi maavärinaid.

Ohutussüsteem näeb ette ka äärmuslikke stsenaariume, kus õnnetuse või pahatahtliku sekkumise (nt terrorismi) tõttu reaktori aktiivtsoon sulab või kaitsekest puruneb. Neid stsenaariumeid on põhjalikult uuritud ning on olemas nendel põhinevad kaitsetsoonid ja evakueerimisplaanid.

Kõigis maailma tuumajaamades on rakendatud ulatuslikud julgeolekumeetmed, mis hõlmavad töötajate põhjalikku ja regulaarset taustakontrolli, turvapersonali, turvatsoone, jälgimissüsteeme ja erimeeskondi. Eriti pärast New Yorgis 9.11.2001 toimunut on suurt tähelepanu pööratud õhurünnakuohutusele. Aastal 1988 demonstreeris Sandia National Laboratories energia ebaühtlast absorbeerumist, kui lennuk põrkab kokku tugeva massiivse sihtmärgiga. Korraldatud katses sööstis hävitaja F4 kiirusega 800 km/h vastu rasket nelja meetri paksust betoonseina, et kindlaks teha, kas Jaapani tuumajaam peaks vastu kamikaze-rünnakule. Selgus, et lennuki kineetilisest energiast kulus 96% lennuki purunemiseks ning 4% betoonseina kiirendamiseks – sein purunes vaid 6 cm sügavuseni. Reisilennuk on küll massiivsem kui hävitaja F4, ent palju kergema ehitusega.

Tuumajaamade turvameeskonnad teevad tuumaohutusinspektsiooni järelevalvel pidevalt mitmesuguste stsenaariumite kohaseid hädaolukorraõppusi, harjutades muuhulgas heal informatsioonil põhineva, relva jõul toimuva rünnaku tõrjumist. Viimasel kahel aastal on maailma taktikaliste erijõudude meistrivõistlustel tulnud võitjaks Kanada tuumajaama Bruce turvameeskond. Kogu tuumajaama personal läbib põhjaliku taustakontrolli, on tööl pidevalt järelevalve all, igapäevased on ka alkoholi- ja narkokontrollid. Kõikide töötajatega vesteldakse regulaarselt, et tuvastada olulisi käitumishäireid ning pakkuda asjakohast nõu.

Tšernobõl ei saa korduda

Tšernobõli õnnetuse üksikasju käsitletakse põhjalikumalt järgmises artiklis, siinkohal nimetatagu vaid mõnd Tšernobõli RBMK-reaktori põhimõttelist eripära, võrreldes praeguste Lääne reaktoritega.

• Kaitsesüsteeme on võimalik osaliselt või täielikult välja lülitada ning eri kaitsesüsteemid ei ole omavahel seotud. Lääne reaktorite puhul oleks mõeldamatu, et kaitsesüsteemid ei ole ühendatud, st ei toimi kui tervik.
• Soojuskandja (vesi) toimib neutronite neelajana, mis tähendab, et vee kuumenemisel või keemaminekul soojuslike neutronite hulk ja sellega koos reaktori võimsus suureneb (positiivne termiline ja mulliefekt).
• RBMK-reaktoril ei ole paksu terasest reaktorikesta, tegemist on vaid teraskestaga ümbritsetud grafiitplokikogumiga, mida läbib 1693 kütusekanalit.
• Ei ole ka paksust raudbetoonist kaitseümbrist, mis välistaks saasteainete paiskumise väliskeskkonda – RMBK reaktorihoone sarnaneb tavalise betoonpaneelidest tehasehoonega.
• Aeglustina kasutatakse grafiiti, mis kõrgel temperatuuril süttib. Tšernobõli õnnetuses põhjustas peamise osa radioaktiivsete ainete atmosfääri paiskumise ja levimise just grafiidi üheksapäevane põleng.
• Jaama operaatorid rikkusid jämedalt protseduurireegleid ning tuumaenergia ohutuskultuur ja järelevalvesüsteem olid ebapiisavad. Nõukogude Liidu tuumainspektsioon ei vastanud IAEA standarditele. Kõige otsustavamad vead Tšernobõli õnnetuses olid inimlikud.

Loetletud ja mitu muud eripära ei ole ajakohastes reaktorites ning tuumajaamade opereerimisel võimalikud ning Tšernobõliga sarnast radioaktiivse saasta laialdase levikuga õnnetust ei saa Lääne reaktorites juhtuda ja pole kunagi ka juhtunud.

Tuumareaktor AP1000^TM

Reaktor AP1000™ (joonis 1) töötab põhimõttel, et õnnetusjuhtumi (nt jahutustorustiku purunemise) korral katkeb tuumajaama reaktori töö turvaliselt ilma et operaator peaks midagi tegema ning ilma mingi akumulaatorilt saadava energia või pumpadeta. Selle asemel, et tugineda aktiivsetele seadmetele (nt diiselgeneraatorid ja pumbad), rakendab AP1000 loodusjõude (nt gravitatsiooni, vee loomulikku ringlust ja kokkusurutud gaase), et reaktor ja selle ümbris üle ei kuumeneks. Loodud on mitmetasandilisi ohutussüsteeme, mis viivad reaktori aktiivtsooni kahjustuse tõenäosuse miinimumini, vältides samal ajal reaktori ümbrise uputamise, rõhu alla sattumise ja kuumenemise.

AP1000™ vastab kõigile U.S. NRC (Nuclear Regulatory Commission – tuumainspektsioon) turvakriteeriumitele suure marginaaliga.

Reaktori AP1000™ peamised kaitsebarjäärid on järgmised:

• reaktorituumal on passiivne jahutussüsteem, mis toimib automaatselt, kui temperatuur reaktori aktiivtsoonis ületab teatud piiri: survemahutitest hakkab peale voolama jahutatud vesi, mis tagab jääksoojuse piisava eemaldamise;
• reaktoriümbrise isolatsioon välistab igasuguste õnnetustega kaasneda võiva tuumakütuse lõhestusjääkide pääsu atmosfääri. Kõik reaktori isolatsioonist väljuvad torud tagavad radioaktiivsete lõhestusjääkide kindla isoleerimise reaktori ümbrisesse;
• reaktoriümbrise passiivne jahutussüsteem tagab vee loomuliku ringluse ja aurustumisega reaktoriümbrise jahutuse, nii et surve reaktoris jääb lubatud piiridesse;
• reaktorituuma kahjustuse isoleerimine – reaktorituuma sulamise korral uputatakse kohe ja automaatselt reaktori kest veega, mis väldib reaktorikesta sulatamise sulanud reaktorituuma toimel ning radioaktiivsete elementide väljapääsemise reaktorist.

Tuumareaktor European pressurized reactor (EPR, AREVA)

1600 MW-se võimsusega EPR-i (joonis 2) peamisel turvasüsteemil on neli alamsüsteemi, mis on kõik võimelised iseseisvalt eemaldama kogu reaktori soojuse. Iga süsteem on teistest füüsiliselt eraldatud ning kahel neist on betoonist kaitsekest, mis peab vastu kokkupõrkele lennukiga.

Need süsteemid langetavad jääkriski peaaegu nullini isegi siis, kui mingi õnnetus peaks juhtuma. EPR on projekteeritud nii, et kahekordne betoonist turvaümbris välistab igasuguse radiatsiooni atmosfääri. Ümbris peab vastu kõrgele temperatuurile ja survele isegi reaktori tuuma sulamise ja kesta purunemise korral. EPR-i juhtimis- ja kontrollsüsteemid on täisdigitaalsed ning neljakordse varukaetusega. EPR-i nagu ka muude ajakohaste reaktorite tehniline tööiga on 60 aastat.

Artikli autorid on KALEV KALLEMETS, MTÜ Eesti Tuumajaam, TTÜ doktorant ja AADU PAIST, TTÜ soojustehnika instituudi professor

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 6/2009, lk 30–31

Esifoto: Stefan Kühn / Wikimedia Commons, CC SA-BY 3.0