Sådan fungerer japanernes atomkrise

Forskellige mennesker har forskellige meninger om atomkraftindustrien. Nogle ser atomkraft som en vigtig grøn teknologi, der ikke udsender kuldioxid, mens den producerer enorme mængder pålidelig elektricitet. De peger på en beundringsværdig sikkerhedsrekord, der strækker sig over mere end to årtier.

Andre ser atomkraft som en iboende farlig teknologi, der udgør en trussel mod ethvert samfund i nærheden af ​​et atomkraftværk. De peger på ulykker som Three Mile Island -hændelsen og Tjernobyl -eksplosionen som et bevis på, hvor dårligt det kan gå galt.

I begge tilfælde, kommercielle atomreaktorer er en realitet i mange dele af den udviklede verden. Fordi de gør brug af en radioaktiv brændstofkilde, disse reaktorer er designet og bygget til de højeste standarder inden for ingeniørfaget, med den opfattede evne til at håndtere næsten alt, hvad naturen eller menneskeheden kan skære ud. Jordskælv? Intet problem. Orkaner? Intet problem. Direkte strejker med jumbo jetfly? Intet problem. Terrorangreb? Intet problem. Styrke er indbygget, og lag af redundans er beregnet til at håndtere enhver operationel abnormitet.

Kort efter et jordskælv ramte Japan den 11. marts, 2011, imidlertid, disse opfattelser af sikkerhed begyndte hurtigt at ændre sig. Eksplosioner rystede flere forskellige reaktorer i Japan, selvom de første rapporter indikerede, at der ikke var problemer fra selve jordskælvet. Der opstod brande på fabrikken i Onagawa, og der var eksplosioner på fabrikken i Fukushima Daiichi.

Så hvad gik der galt? Hvordan kan sådan veldesignet, stærkt redundante systemer mislykkes så katastrofalt? Lad os se.

1. Forståelse af en atomreaktor
2. Den fatale fejl ved atomreaktorer i kogende vand
3. Det værste scenarie i Japans atomkrise
4. Eksplosioner ved Japans atomkraftværker
5. Næste trin i Japans atomkrise

Forståelse af en atomreaktor

Hvis du har læst, hvordan atomreaktorer fungerer, du kender den grundlæggende idé bag et atomkraftværk. På et højt niveau, disse planter er ganske enkle. Atombrændstof, som i moderne kommercielle atomkraftværker kommer i form af beriget uran, producerer naturligt varme, når uranatomer splittes (se afsnittet Nuclear Fission of How Nuclear Bombs Work for detaljer). Varmen bruges til at koge vand og producere damp. Dampen driver en dampturbine, som spinder en generator for at skabe elektricitet. Disse anlæg er store og generelt i stand til at producere noget i størrelsesordenen en gigawatt elektricitet ved fuld effekt.

For at produktionen af ​​et atomkraftværk kan justeres, uranbrændstoffet dannes til pellets på størrelse med en Tootsie -rulle. Disse pellets stables ende-mod-ende i lange metalrør kaldet brændstofstænger. Stængerne er arrangeret i bundter, og bundter er arrangeret i reaktorens kerne. Kontrolstænger passer mellem brændstofstængerne og er i stand til at absorbere neutroner. Hvis kontrolstængerne er sat helt ind i kernen, reaktoren siges at være lukket ned. Uran vil producere den lavest mulige mængde varme (men vil stadig producere varme). Hvis kontrolstængerne trækkes ud af kernen så langt som muligt, kernen producerer sin maksimale varme. Tænk på varmen fra en 100 watt glødepære. Disse pærer bliver ret varme - varme nok til at bage en cupcake i en Easy Bake ovn. Forestil dig nu en 1, 000, 000, 000 watt pære. Det er den slags varme, der kommer ud af en reaktorkerne ved fuld effekt.

De reaktorer, der mislykkedes i Japan, er kogevandsreaktorer fra Mark 1 designet af General Electric i 1960'erne. Dette er et af de tidligere reaktordesign, hvor uranbrændstoffet koger vand, der direkte driver dampturbinen. Dette design blev senere erstattet af reaktorer under tryk på grund af sikkerhedsproblemer omkring Mark 1 -designet. Som vi har set, disse sikkerhedsproblemer blev til sikkerhedsfejl i Japan. Lad os se på den fatale fejl, der førte til katastrofe.

Den fatale fejl ved atomreaktorer i kogende vand

En kogende vandreaktor har en akilleshæl - en dødelig fejl - der er usynlig under normale driftsforhold og de fleste fejlscenarier. Fejlen har at gøre med kølesystemet.

En kogende vandreaktor koger vand:Det er indlysende og enkelt nok. Det er en teknologi, der går mere end et århundrede tilbage til de tidligste dampmaskiner. Når vandet koger, det skaber et enormt tryk - det tryk, der vil blive brugt til at dreje dampturbinen. Det kogende vand holder også reaktorkernen ved en sikker temperatur. Når den forlader dampturbinen, dampen afkøles og kondenseres til at blive genbrugt igen og igen i en lukket sløjfe. Vandet recirkuleres gennem systemet med elektriske pumper.

Designets sårbarhed spiller ind, hvis de elektriske pumper mister strøm. Uden en frisk tilførsel af vand i kedlen, vandet fortsætter med at koge af, og vandstanden begynder at falde. Hvis der koger nok vand af, brændstofstængerne er udsatte, og de overophedes. På et tidspunkt, selv med kontrolstængerne helt indsat, der er varme nok til at smelte atombrændstoffet. Det er her begrebet nedsmeltning kommer fra. Masser af smeltende uran strømmer til bunden af ​​trykbeholderen. På det tidspunkt, det er katastrofalt. I værste fald, det smeltede brændstof trænger ind i trykbeholderen frigives til miljøet.

På grund af denne kendte sårbarhed, der er enorm redundans omkring pumperne og deres forsyning af elektricitet. Der er flere sæt redundante pumper, og der er overflødige strømforsyninger. Strøm kan komme fra elnettet. Hvis det ikke lykkes, der er flere lag backup -dieselgeneratorer. Hvis de fejler, der er et backup batterisystem. Med al denne redundans, det ser ud til, at sårbarheden er dækket fuldstændigt. Der er ingen måde for den fatale fejl nogensinde at blive afsløret.

Desværre, kort efter jordskælvet, det værste scenarie udspillede sig.

Det værste scenarie i Japans atomkrise

Atomkraftværkerne i Japan forvitrede selve jordskælvet uden besvær. De fire anlæg, der er nærmest jordskælvets epicenter, lukker automatisk ned, hvilket betyder, at kontrolstængerne blev indsat fuldstændigt i deres reaktorkerner og værkerne stoppede med at producere strøm. Dette er normal driftsprocedure for disse anlæg, men det betød, at den første elektricitetskilde til kølepumperne var væk. Det er ikke et problem, fordi værket kunne få strøm fra elnettet til at køre pumperne.

Imidlertid, elnettet blev ustabilt, og det lukkede også. Den anden kilde til elektricitet til kølepumperne var væk. Det bragte backup -dieselgeneratorerne i spil. Dieselgeneratorer er en robust og tidstestet måde at generere elektricitet på, så der var ingen bekymringer.

Men så ramte tsunamien. Og desværre, tsunamien var langt større, end nogen havde planlagt. Hvis backup -dieselgeneratorerne havde været højere fra jorden, designet til at køre mens den er nedsænket i vand eller beskyttet mod dybt vand på en eller anden måde, krisen kunne have været afværget. Desværre, den uventede vandstand fra tsunamien fik generatorerne til at mislykkes.

Dette efterlod det sidste lag af redundans - batterier - til at betjene pumperne. Batterierne fungerede som forventet, men de var dimensioneret til kun at vare i et par timer. Antagelsen, tilsyneladende, var, at elektricitet ville blive tilgængelig fra en anden kilde temmelig hurtigt.

Selvom operatører lastbil i nye generatorer, de kunne ikke tilsluttes i tide, og kølevæskepumperne løb tør for elektricitet. Den fatale fejl i kogende vanddesignet - menes at være umuligt at afdække gennem så mange redundanslag - var ikke desto mindre blevet udsat. Med det afsløret, det næste trin i processen førte til katastrofe.

Eksplosioner ved Japans atomkraftværker

Med batterierne døde, kølevæskepumperne fejlede. Uden frisk kølevæske, der strømmer ind i reaktorkernen, vandet, der holdt det køligt, begyndte at koge af. Da vandet kogte væk, toppen af ​​brændstofstængerne blev udsat, og metalrørene, der holder uranbrændstofpiller overophedet og revnet. Revnerne tillod vand at trænge ind i rørene og komme til brændstofpiller, hvor den begyndte at generere hydrogengas. Processen kaldes termolyse - hvis du får vand varmt nok, det nedbrydes i dets bestandige hydrogen- og iltatomer.

Brint er en stærkt eksplosiv gas - husk Hindenburg -eksplosionen, hvor Hindenburg var fuld af hydrogengas. I Japans atomkraftværker, tryk fra det opbyggede brint, og gassen skulle udluftes. Desværre, så meget brint udluftede så hurtigt, at det eksploderede inde i reaktorbygningen. Den samme begivenhedskæde udspillede sig i flere forskellige reaktorer.

Eksplosionerne sprængte ikke trykbeholderne, der holder atomkernerne, de afgav heller ikke nogen væsentlig mængde stråling. Det var simple brinteksplosioner, ikke atomeksplosioner. Eksplosionerne beskadigede beton- og stålbygningerne omkring trykbeholderne.

Eksplosionerne indikerede også, at tingene var kommet ud af kontrol. Hvis vandet fortsat koger af, en nedsmeltning ville være næsten sikret.

Så operatører besluttede at oversvømme reaktorerne med havvand. Dette er en sidste indsats for at kontrollere situationen, da havvand fuldstændig ødelægger en reaktor, men det er bedre end en nedsmeltning. Ud over, havvandet blev blandet med bor for at virke som en flydende version af kontrolstængerne. Bor absorberer neutroner og er en af ​​hovedbestanddelene i kontrolstængerne.

Næste trin i Japans atomkrise

Atomhændelserne i Japan beskrives som niveau 6 INES -begivenheder (International Nuclear and Radiological Event Scale). Three Mile Island var et niveau 5 -arrangement. Tjernobyl var et niveau 7 -arrangement, og det er toppen af ​​begivenhedsskalaen [kilde:Reuters]. Naturligvis, det er en alvorlig situation.

Japan har mistet en betydelig del af sin elektriske produktionskapacitet. Cirka en tredjedel af Japans elektricitet kommer fra atomkraftværker, og omkring halvdelen af ​​denne kapacitet er gået tabt (ca. 20 procent af den samlede produktionskapacitet) [kilde:Izzo]. Den kapacitet skal udskiftes på en eller anden måde.

Som 40 -årig, disse reaktorer nærmer sig alligevel slutningen af ​​deres designlevetid. Et alternativ er simpelthen at genopbygge planterne. De to problemer med denne tilgang er, at det vil være en meget lang proces - muligvis tage et årti eller mere - og offentligheden i Japan har muligvis ingen appetit på nye atomreaktorer. Det er stadig for tidligt at sige.

Der er en række Mark 1 -reaktorer i USA. Det er sikkert, at de vil blive taget ud af drift eller ændret for at drage fordel af de erfaringer, der er taget i Japan. Andre reaktorer kan også ændres efter behov.

Atomindustrien håbede på en renæssance af atomkraft i USA nu, hvor mere end tre årtier er gået, siden Three Mile Island -hændelsen lukkede det nye atomkraftværk i USA. Begivenhederne i Japan kan stoppe denne renæssance. Eller de kan anspore forskning i andre, muligvis sikrere, atomteknologi.

Masser mere information

relaterede artikler

• Sådan fungerer atomstråling
• Sådan fungerer atomkraft
• Sådan fungerer stråling
• 5 største atomreaktorer
• Sådan fungerer atombomber
• Sådan fungerer jordskælv
• Sådan fungerer tsunamier
• Fakta eller fiktion:Jordskælvsquiz

Kilder

• Fisher, Jenna. "Japans atomkrise:En tidslinje over vigtige begivenheder." Christian Science Monitor. 15-03-2011 (3/15/2011) http://www.csmonitor.com/World/Asia-Pacific/2011/0315/Japan-s-nuclear-crisis-A-timeline-of-key-events
• Izzo, Phil. "Økonomer reagerer:Hvis det værste sker i Japan, Alle spil er slukket "Wall Street Journal. 15-03-2011 (3/15/2011) http://blogs.wsj.com/economics/2011/03/15/economists-react-if-worst-happens-in -japan-alle-væddemål-er-slukket/
• Reuters. "OPDATERING 1-fransk atomagentur vurderer nu Japans ulykke til 6" 3/3/2011 (3/15/2011) http://www.reuters.com/article/2011/03/15/japan-quake-nuclear- frankrig-idUSLDE72E2M920110315