INES-4 Tokaimura – Ta od reaktorow

Wypadek w Tokaimura, to jeden z tych wypadków jądrowych, o których usłyszałam na studiach i bardzo skutecznie przyczepiły się one mojej pamięci. To co zaszło – odmierzanie roztworu uranu wiaderkami – w pierwszej kolejności kojarzy się raczej z Rosją. Generalnie Europą Wschodnią, a nie Japonią, a tymczasem…

30 sierpnia 1999 roku w zakładzie przetwarzania uranu w miasteczku Tōkai w zbiorniku z roztworem uranu zaczęła zachodzić reakcja łańcuchowa. Zakład ten nie jest miejscem, w którym spodziewano się, że dojdzie do takiego zdarzenia. Nie jest to elektrownia. Nie jest to zakład pracujący ze zużytym paliwem i zajmowano się tam uranem, a nie plutonem (to dość znaczna różnica). A mimo tego coś poszło nie tak i czterysta trzydzieści sześć osób narażono na działanie promieniowania. Dwie z nich zmarły w kolejnych dniach. Całe zajście sklasyfikowano później w Międzynarodowej Skali Zdarzeń Jądrowych i Radiologicznych (INES) na poziomie 4. Awaria z lokalnymi skutkami – a przeprowadzone analizy wskazały, że do wypadku doszło w wyniku błędu ludzkiego.

Zakład Tokaimura

Japoński zakład przetwórstwa uranu w miasteczku Tōkai w prefekturze Ibaraki istnieje od 1980 roku. W 1984 otrzymał pozwolenie na produkcję ciekłego uranylu o stopniu wzbogacenia uranem 235 (promieniotwórczym izotpem uranu) poniżej 20%. Aby otrzymać takie pozwolenie, wykorzystywany przez zakład proces produkcyjny został zatwierdzony przez odpowiednie instytucje jako bezpieczny. Oznacza to, że między innymi wykluczał on możliwość, że na którymkolwiek z etapów ilość promieniotwórczego uranu w którymkolwiek ze zbiorników będzie dostatecznie duża, aby roztwór przeszedł ze stanu podkrytycznego do krytycznego.

Stan krytyczny, to stan pracy reaktora jądrowego, gdy generuje on stałą ilość mocy cieplnej. Oznacza to, że wskutek rozpadów powstaje dosć neutronów, aby podtrzymać ilość reakcji, ale nie aż tyle, aby ta ilość rosła. Mówimy, że reaktor jest w stanie podkrytycznym, jeśli neutronów jest niewystarczająca i ilość reakcji w reaktorze zmniejsza się. Na przykład wtedy, gdy istnieje potrzeba obniżenia mocy bloku energetycznego. Z kolei reaktor jest w stanie nadkrytycznym, gdy ilość potrzebnych neutronów rośnie, a zatem rośnie ilość reakcji rozszczepienia. Na przykład kiedy podnosimy moc.

Aby to zapewnić, proces został podzielony na konkretne etapy. Rozmiary kolejnych zbiorników nie pozwalały na dodanie większej ilości tlenku uranu, niż było to bezpieczne. W miejscach, gdzie istniało największe zagrożenie, że coś pójdzie nie tak, dodatkowo kontrolowano skład roztworu. A jednak w 1999 roku coś poszło nie tak.

Proces produkcji – 1980

Zatwierdzony proces był bezpieczny. Sproszkowany tlenek uranu rozpuszczano w specjalnie do tego zaprojektowanym zbiorniku. Następnie transportowano go do kolumny, w któryej zachodziła jego homogenizacja przez przedmuchiwanie azotem (a nie mechanicznym mieszadłem). Zbiornik ten był dodatkowo monitorowany; między innymi kontrolowano masę roztworu, aby mieć pewność, że ilość uranu nie przekracza zadanych norm. Że nie ma go tam na tyle dużo, aby zaczęła zachodzić reakcja łańcuchowa(!). Kolejnym etap stanowił zbiornik strąceniowy. Ponieważ zachodzące w nim reakcje były egzotermiczne (produkowały ciepło), został on wyposażony w płaszcz wodny, który to ciepło odprowadzał. Cały proces można było przeprowadzać partiami po 2,4 kilograma.

Proces produkcji – 1999

Kadra kierownicza zachęcała pracowników do tego, aby sami dostosowywali proces produkcyjny tak, aby zwiększyć jego wydajność. Sami pracownicy mieli zakorzenione w świadomości podejście, że takie udoskonalanie procesu świadczy dobrze o nich samych i ich pracy. I tak na przestrzeni kolejnych lat zaaprobowany proces ulegał zmianom, których nie konsultowano z odpowiednimi instytucjami (np. Japan Science and Technology Agency (STA) która wydała licencję w latach osiemdziesiątych).

Do 1999 roku zmianom uległo między innymi to gdzie rozpuszczano tlenek uranu. Zamiast zbiornika o określonej objętości zaczęto wykorzystywać do tego dziesięciolitrowe wiaderka ze stali nierdzewnej. Zaczęto też zupełnie omijać wąską kolumnę buforową, w której miała zachodzić homogenizacja roztworu. Robiono to, ponieważ według pracowników korzystanie z niej było niewygodne i spowalniało pracę. Zamiast tego roztwór z wiaderek przelewano bezpośrednio do zbiornika strąceniowego.

Pracownicy wykorzystywali taką uproszczoną metodę nie po raz pierwszy i nigdy wcześniej nic złego się nie stało.

Przebieg wydarzeń

Zazwyczaj jednak zakład pracował z materiałem, w którym wzbogacenie promieniotwórczym izotoperm uranu (U-235) było kilkuprocentowe – wystarczające dla późniejszej produkcji prętów paliwowych do większości japońskich reaktorów BWR i PWR. Jednak partię, nad którą pracowano pod koniec sierpnia 1999 roku przeznaczono do innego typu reaktora.

Jōyō to reaktor prędki i stopień wzbogacenia U-235, którego wymaga, to 18,8% – blisko górnej granicy, dla jakiej zatwierdzono proces wykorzystywany w zakładzie. O ile przy pracy z materiałem o mniejszym wzbogaceniu niektóre środki ostrożności były na wyrost lub miały duże marginesy błędu, o tyle w tym przypadku były one o wiele mniejsze.

29 sierpnia pracownicy wlali do zbiornika strąceniowego około 26 litrów roztworu uranu o stopniu wzbogacenia U-235 wynoszącym 18,8% (cztery, zamiast jednej, partii). Kolejnego dnia dodali kolejne trzy partie. Po tej operacji w zbiorniku znajdowało się około 40 litrów roztworu zawierającego w sumie około 16,6 kilograma uranu;ilość powyżej stężenia krytycznego. W zbiorniku strąceniowym zaczęła zachodzić reakcja łańcuchowa. Woda w płaszczu wodnym, poza chłodzeniem zbiornika, zadziałała również jako moderator przez co reakcja nie wygasła sama po krótkim czasie.

ilustracja procesu produkcyjnego w 1999 roku / IAEA

Początek reakcji łańcuchowej oznaczał zwiększoną ilość promieniowania gamma. Znajdujący się na terenie zakładu monitoring, szybko je zarejestrował. Zadziałały alarmy i pracowników oraz okolicznych mieszkańców ewakuowano.

Reakcję udało się zatrzymać dopiero kolejnego dnia nad ranem, po tym jak odpompowano wodę.

Tokaimura – skutki

Na działanie promieniowanie gamma wystawiono pracowników zakładu oraz okolicznych mieszkańców. W promieniu 10 kilometrów od zakładu na ponad dobę wprowadzono nakaz pozostawania w domach. Finalnie tylko dwie osoby otrzymały dawki śmiertelne. Pracownicy, którzy za pomocą wiaderka i lejka przelewali roztwór z dużego wiadra do zbiornika strąceniowego. Jeden z nich, Ouchi, otrzymał największą zarejestrowaną dawkę promieniowania jonizującego – 17 siwertów. Promieniowanie uszkodziło DNA w jego komórkach. Skóra nie była w stanie się regenerować, w kolejnych dniach organy jeden po drugim przestawały funkcjonować – jelita rozkładały się, skóra zsuwała, mięśnie odchodziły od kości. Próbowano na nim stosować eksperymentalne sposoby leczenia, ale w zasadzie nie można było mu pomóc. Zmarł po 83 dniach. Jeśli ktoś ma mocny żołądek, to tutaj jest strona wyszukiwania dla frazy Ouchi + tokaimura; to są bardzo drastyczne zdjęcia, dlatego przed kliknięciem naprawdę zastanówcie się trzy razy.

Tokaimura – Podsumowanie

Wszystkie analizy są zgodne, co do tego, że do wypadku doszło wskutek błędu ludzkiego. W latach poprzedzających wypadek miały miejsca cięcia etatów, presja ze strony innych producentów sprawiała, że pozostanie konkurencyjnym stawało się coraz trudniejsze. Ponieważ w zakładzie w teorii nie powinno dojść do tego rodzaju wypadku, kierownicy nie mieli doświadczenia w przemyśle jądrowym i nie mieli świadomości jakie zagrożenia mogą wystąpić w podlegającym im zakładzie. Przede wszystkim jednak rolę odegrało tu kaizen — japońska filozofia biznesowa, zakładająca ciągłe doskonalenie wszystkich procesów wykorzystywanych w firmach tak, aby szybsze, wydajniejsze, tańsze. Takie myślenie na każdym szczeblu, połączone z brakiem świadomości zagrożeń, sprawiło, że uproszczenia procesu produkcyjnego wprowadzano bez konsultowania ich z instytucjami zewnętrznymi, a czasami nawet bez konsultowania ich z kierownictwem, przez co proces produkcyjny wykorzystywany w sierpniu 1999 roku nie jest nawet w pełni opisany w jakiejkolwiek zatwierdzonej zakładowej instrukcji.

W przemyśle jądrowym wiele mówi się o kulturze i transparentności. O konieczności zgłaszania nawet najmniejszych zakłóceń pracy obiektów jądrowych do międzynarodowych służb, żeby ludzie byli zarówno świadomi co się dzieje, ale przede wszystkim, aby różne zakłady mogły uczyć się na błędach pozostałych i tym samym zwiększać swoje bezpieczeństwo. Czasami w mediach możemy spotkać informacje o awarii w tej czy tamtej elektrowni jądrowej i czasami są to poważne awarie, a czasami jest to awaria zaworu na rurociągu rezerwowym, z którego aktualnie nawet nie korzystano i nikt, nawet personel pracujący w okolicy nie został wystawiony na działanie promieniowania. Ale ponieważ w czarnym scenariuszu ten rurociąg mógłby zostać wykorzystany i wówczas potrzebowalibyśmy tego zaworu, to elektrownia ma obowiązek zgłosić, że coś takiego nastąpiło. Na skali INES będzie to zdarzenie na poziomie 0.

Na koniec

Starałam się przedstawić to zdarzenie możliwie prostym, przystępnym dla kogoś, kto nie zna się na fizyce jądrowej, językiem. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, poniżej znajduje się lista miejsc z których w mniejszym lub większym stopniu korzystałam przygotowując ten tekst. Wszystkie są w języku angielskim.

Lessons Learned from Criticality Accident in Tokai-mura (1) Outline of the Accident https://ansn.iaea.org/common/topics/opentopic.aspx?id=13110
An Analysis of Tokaimura Nuclear Criticality Accident: A systems approach https://www.semanticscholar.org/paper/An-Analysis-of-Tokaimura-Nuclear-Criticality-%3A-A-Tsuchiya-Tanabe/2bef78337d27835beaf4fd5ce3f7a023ad2f0778
Tokaimura Criticality Accident 1999 https://world-nuclear.org/information-library/safety-and-security/safety-of-plants/tokaimura-criticality-accident.aspx
Criticality accident at Tokai nuclear fuel plant (Japan) https://www.wise-uranium.org/eftokc.html