Japan jordbävning och Tsunami Image Gallery Kärnkraftverket Fukushima II Dai Ni efter en jordbävning och tsunami på 8,9. En jordbävning som mätte 8,9 på Richterskalan drabbade Japans nordöstra kust den 11 mars, 2011. Se fler bilder på efterdyningarna av jordbävningen och tsunamin. Foto av DigitalGlobe via Getty Images Olika människor har olika åsikter om kärnkraftsindustrin. Vissa ser kärnkraft som en viktig grön teknik som inte släpper ut koldioxid samtidigt som den producerar enorma mängder pålitlig el. De pekar på en beundransvärd säkerhetsrekord som sträcker sig över mer än två decennier.
Andra ser kärnkraft som en i sig farlig teknik som utgör ett hot mot alla samhällen som ligger nära ett kärnkraftverk. De pekar på olyckor som Three Mile Island -incidenten och Tjernobyl -explosionen som ett bevis på hur illa det kan gå fel.
I vilket fall, kommersiella kärnreaktorer är ett faktum i många delar av den utvecklade världen. Eftersom de använder en radioaktiv bränslekälla, dessa reaktorer är konstruerade och byggda enligt de högsta standarderna för ingenjörsyrket, med den upplevda förmågan att hantera nästan allt som naturen eller mänskligheten kan diska ut. Jordbävningar? Inga problem. Orkaner? Inga problem. Direkta strejker med jumbojets? Inga problem. Terroristattacker? Inga problem. Styrka är inbyggd, och lager av redundans är avsedda att hantera alla operativa avvikelser.
Kort efter att en jordbävning drabbade Japan den 11 mars, 2011, dock, dessa uppfattningar om säkerhet började snabbt förändras. Explosioner skakade flera olika reaktorer i Japan, även om de första rapporterna indikerade att det inte var några problem från själva skalvet. Bränder utbröt vid fabriken i Onagawa, och det fanns explosioner vid fabriken i Fukushima Daiichi.
Så vad gick fel? Hur kan så väl utformade, mycket redundanta system misslyckas så katastrofalt? Låt oss ta en titt.
Innehåll
Detta diagram visar alla delar av en kärnreaktor. © 2011 HowStuffWorks.com Om du har läst hur kärnreaktorer fungerar, du är bekant med grundtanken bakom ett kärnkraftverk. På en hög nivå, dessa växter är ganska enkla. Kärnbränsle, som i moderna kommersiella kärnkraftverk kommer i form av berikat uran, producerar naturligt värme när uranatomer splittras (se avsnittet Nuclear Fission i How Nuclear Bombs Work för detaljer). Värmen används för att koka vatten och producera ånga. Ångan driver en ångturbin, som snurrar en generator för att skapa el. Dessa anläggningar är stora och kan generellt producera något i storleksordningen en gigawatt el vid full effekt.
För att produktionen från ett kärnkraftverk ska kunna justeras, uranbränslet formas till pellets ungefär lika stora som en Tootsie -rulle. Dessa pellets staplas end-on-end i långa metallrör som kallas bränslestavar. Stavarna är ordnade i buntar, och buntar är anordnade i reaktorns kärna. Kontrollstavar passar mellan bränslestavarna och kan absorbera neutroner. Om styrstavarna är helt isatta i kärnan, reaktorn sägs vara avstängd. Uran kommer att producera den lägsta möjliga värmen (men kommer fortfarande att producera värme). Om styrstavarna dras ut ur kärnan så långt som möjligt, kärnan producerar sin maximala värme. Tänk på värmen som produceras av en glödlampa på 100 watt. Dessa lökar blir ganska varma - tillräckligt heta för att baka en muffin i en lättbakad ugn. Tänk dig nu en 1, 000, 000, 000 watt glödlampa. Det är den typ av värme som kommer ut från en reaktorkärna vid full effekt.
De reaktorer som misslyckades i Japan är kokvattenreaktorer från Mark 1 som designades av General Electric på 1960 -talet. Detta är en av de tidigare reaktordesignerna, där uranbränslet kokar vatten som direkt driver ångturbinen. Denna konstruktion ersattes senare av tryckvattenreaktorer på grund av säkerhetsproblem kring Mark 1 -konstruktionen. Som vi har sett, dessa säkerhetsproblem blev till säkerhetsbrister i Japan. Låt oss ta en titt på den dödliga bristen som ledde till katastrof.
En kokvattenreaktor har en akilleshäl - en dödlig brist - som är osynlig under normala driftsförhållanden och de flesta felscenarier. Felet har att göra med kylsystemet.
En kokande vattenreaktor kokar vatten:Det är uppenbart och enkelt nog. Det är en teknik som går mer än ett sekel tillbaka till de tidigaste ångmotorerna. När vattnet kokar, det skapar ett enormt tryck - trycket som kommer att användas för att snurra ångturbinen. Det kokande vattnet håller också reaktorkärnan vid en säker temperatur. När den lämnar ångturbinen, ångan kyls och kondenseras för att återanvändas om och om igen i en sluten slinga. Vattnet återcirkuleras genom systemet med elektriska pumpar.
Designens sårbarhet spelar in om de elektriska pumparna tappar ström. Utan ny vattenförsörjning i pannan, vattnet fortsätter att koka, och vattennivån börjar sjunka. Om tillräckligt med vatten kokar av, bränslestavarna är utsatta och de överhettas. Vid något tillfälle, även om styrstavarna är helt isatta, det finns tillräckligt med värme för att smälta kärnbränslet. Det är här termen nedsmältning kommer ifrån. Massor av smält uran rinner till botten av tryckkärlet. Vid det tillfället, det är katastrofalt. I värsta fall, det smälta bränslet tränger igenom tryckkärlet släpps ut i miljön.
På grund av denna kända sårbarhet, det finns en enorm redundans kring pumparna och deras elförsörjning. Det finns flera uppsättningar redundanta pumpar, och det finns redundanta strömförsörjningar. Ström kan komma från elnätet. Om det misslyckas, det finns flera lager reservdieselgeneratorer. Om de misslyckas, det finns ett reservbatterisystem. Med all denna redundans, det verkar som om sårbarheten är helt täckt. Det finns inget sätt för den dödliga bristen att någonsin avslöjas.
Tyvärr, strax efter jordbävningen, det värsta scenariot utvecklades.
Det värsta scenariot i Japans kärnkris skulle vara en sammanbrott och en massiv utsläpp av kärnstrålning i miljön. © iStockphoto.com/caracterdesign Kärnkraftverken i Japan klarade själva jordbävningen utan svårigheter. De fyra anläggningar närmast skalvets epicentrum stängs av automatiskt, vilket innebär att kontrollstavarna sattes helt in i deras reaktorkärnor och anläggningarna slutade producera kraft. Detta är ett normalt driftsförfarande för dessa anläggningar, men det innebar att den första elkällan för kylpumparna var borta. Det är inte ett problem eftersom anläggningen kan få ström från elnätet för att driva pumparna.
Dock, elnätet blev instabilt och det stängdes också av. Den andra elkällan för kylpumparna var borta. Det fick reservdieselgeneratorerna till spel. Dieselgeneratorer är ett robust och tidstestat sätt att generera el, så det var inga bekymmer.
Men så slog tsunamin till. Och tyvärr, tsunamin var mycket större än någon hade planerat för. Om reservdieselgeneratorerna hade varit högre från marken, utformad för att köra medan den är nedsänkt i vatten eller skyddad från djupt vatten på något sätt, krisen kunde ha avvärjts. Tyvärr, de oväntade vattennivåerna från tsunamin fick generatorerna att misslyckas.
Detta lämnade det sista lagret av redundans - batterier - för att driva pumparna. Batterierna fungerade som förväntat, men de var dimensionerade för att hålla i bara några timmar. Antagandet, tydligen, var att el skulle bli tillgänglig från en annan källa ganska snabbt.
Även om operatörerna körde lastbilar i nya generatorer, de kunde inte anslutas i tid, och kylvätskepumparna tog slut på el. Den dödliga bristen i kokvattendesignen - som man trodde var omöjlig att avslöja genom så många lager av redundans - hade ändå blivit utsatt. Med det avslöjat, nästa steg i processen ledde till katastrof.
Med batterierna döda, kylvätskepumparna misslyckades. Utan att färskt kylmedel strömmar in i reaktorkärnan, vattnet som höll det svalt började koka av. När vattnet kokade bort, bränslestavarnas toppar avslöjades, och metallrören som håller uranbränslepellets överhettade och spruckna. Sprickorna tillät vatten att komma in i rören och komma till bränslepellets, där det började generera vätgas. Processen kallas termolys - om du får tillräckligt med varmt vatten, det bryts ner i sina bestående väte- och syreatomer.
Väte är en mycket explosiv gas - kom ihåg explosionen i Hindenburg, där Hindenburg var full av vätgas. I Japans kärnkraftverk, trycket från det väte som byggts upp, och gasen måste ventileras. Tyvärr, så mycket väte ventilerades så snabbt att det exploderade inuti reaktorbyggnaden. Samma händelsekedja utvecklades i flera olika reaktorer.
Explosionerna sprängde inte tryckkärlen som innehöll kärnkärnorna, inte heller släppte de några betydande mängder strålning. Det här var enkla vätexplosioner, inte kärnvapenexplosioner. Explosionerna skadade betong- och stålbyggnaderna som omger tryckkärlen.
Explosionerna indikerade också att saker hade kommit ur kontroll. Om vatten fortsätter att koka av, en sammanbrott skulle nästan vara säker.
Så operatörerna bestämde sig för att översvämma reaktorerna med havsvatten. Detta är ett sista försök att kontrollera situationen, eftersom havsvatten helt förstör en reaktor, men det är bättre än en nedsmältning. Dessutom, havsvattnet blandades med bor för att fungera ungefär som en flytande version av kontrollstavarna. Bor absorberar neutroner och är en av huvudbeståndsdelarna i kontrollstavarna.
Kärnkraftverket Tricastin är ett av 59 franska anläggningar som tillhandahåller 75 procent av landets el. David McGlynn/ Photographer's Choice RF/ Getty Images Kärnvapenincidenterna i Japan beskrivs som nivå 6 INES -händelser (International Nuclear and Radiological Event Scale). Three Mile Island var ett nivå 5 -evenemang. Tjernobyl var en nivå 7 -händelse, och det är toppen av evenemangsskalan [källa:Reuters]. Självklart, det är en allvarlig situation.
Japan har tappat en betydande del av sin elproduktionskapacitet. Ungefär en tredjedel av Japans el kommer från kärnkraftverk, och ungefär hälften av den kapaciteten har gått förlorad (cirka 20 procent av den totala produktionskapaciteten) [källa:Izzo]. Den kapaciteten kommer att behöva bytas ut på något sätt.
Vid 40 års ålder, dessa reaktorer närmar sig i alla fall slutet av sin designlivstid. Ett alternativ är att helt enkelt bygga om plantorna. De två problemen med detta tillvägagångssätt är att det kommer att bli en mycket lång process - eventuellt ta ett decennium eller mer - och allmänheten i Japan kanske inte har någon aptit för nya kärnreaktorer. Det är fortfarande för tidigt att säga.
Det finns ett antal Mark 1 -reaktorer i USA. Det är säkert att de kommer att tas ut eller ändras för att dra nytta av lärdomarna i Japan. Andra reaktorer kan också ändras efter behov.
Kärnkraftsindustrin hoppades på en renässans av kärnkraften i USA nu när mer än tre decennier har förflutit sedan Three Mile Island -incidenten stängde av ett nytt kärnkraftverk i USA. Händelserna i Japan kan stoppa denna renässans. Eller så kan de stimulera forskning i andra, möjligen säkrare, kärnteknik.
