Mitä Fukushimassa on tapahtunut?

Japanin ydinvoimaloiden tilanteesta liikkuu netissä villejä arvioita. Koska toimittajilla ei ole ilmeisesti mahdollisuuksia tehdä tarkempia selvityksiä, yritän selvittää tässä seuraavassa tapahtumien kulkua ja sen vaikutuksia parhaani mukaan. Lähteenä käytän osaksi Josef Oehmenin hyvää yhteenvetoa, jonka voi lukea englanniksi täältä. Muita lähteitä ovat uutiset Japanista ja maailmalta, sekä keskustelu muutamalla tekniikkaan keskittyneellä sivustolla.

Lyhyesti: tilanne Japanissa on vakava, mutta tällä hetkellä (14.3. klo 16.45) näyttää, että vakavaa, ihmisiä merkittävästi vaarantavaa ydinonnettomuutta ei tule tapahtumaan. Myös hetken ajan huolta aiheuttaneen reaktori 2:n jäähdytys on saatu toimimaan noin klo 14 Suomen aikaa. Tilanne tulee jatkumaan vielä päiviä, kenties viikkoja, mutta päästöjen todennäköisyys vähenee koko ajan, kun ydinpolttoaine jäähtyy.

Merkittävää radioaktiivista päästöä ei ole tapahtunut, eikä mitä ilmeisimmin tule tapahtumaan. Merkittävällä tarkoitan nyt päästöä, joka altistaisi suurta yleisöä suuremmalle säteilymäärälle kuin muutaman röntgenkuvan ottaminen. Vahingot ovat rajoittuneet voimalan alueelle, ja vaikka työntekijöitä onkin loukkaantunut, missään vaiheessa onnettomuutta ei ole ollut todellista riskiä suurtuhosta. 

Suuri osa uutisoinnista ja kommentoinnista perustuu puutteelliseen ymmärrykseen ydinvoimaloiden toiminnasta ja säteilyn riskeistä. Käydään siis läpi muutama asia Fukushiman reaktoreista, ennen kuin jatkamme.

Fukushiman reaktorit ovat niinkutsuttuja kiehutusvesireaktoreita, englanninkieliseltä lyhenteeltään BWR. Kiehutusvesireaktori muistuttaa painekattilaa, jossa ydinreaktioiden tuottama lämpö kiehuttaa vettä. Kiehuva vesi höyrystyy, ja höyryä käytetään pyörittämään turbiineja, joihin kytketyt generaattorit tuottavat sähköä. Jäähdytetty höyry ohjataan takaisin reaktoriin suljetussa kierrossa, niinsanotussa primääripiirissä. Koko vekotin toimii noin 250°C lämpötilassa.

Ydinpolttoaine on reaktorissa keraamisina, suunnilleen sormipariston kokoisina uraanioksidipelletteinä. Polttoainepellettien sulamispiste on erittäin korkea, noin 3000°C. Nämä pelletit ovat suljettuina zirkoniumseoksesta (kuumuutta kestävä metalli, sulamispiste noin 2200°C) tehtyihin onttoihin, tiiviisti suljettuihin polttoainesauvoihin. Reaktorin ydin koostuu tälläisten polttoainesauvojen nipuista. Polttoainepelletit ovat ydinvoimalan ensimmäinen suojavarustus. Niin kauan kun pelletit ovat ehjiä, merkittäviä määriä radioaktiivisia aineita ei pääse vapautumaan. Polttoainenippujen metallikuori on toinen suojavarustus. 

Reaktorin ydin on puolestaan teräksisen paineastian – tuon painekattilan – sisällä. Paineastia on suunniteltu kestämään vaurioitta jäähdytysveden väliaikaisen menetyksen aiheuttaman paineen nousun. Paineastiaa, reaktorin kolmatta puolustuslinjaa, ympäröi itse suojarakennus. Tämän neljännen puolustuslinjan tehtävä on pitää reaktoriydin hallinnassa, vaikka kaikki muu pettäisi. 

Suojarakennuksen päällä on kevytrakenteinen peltihalli, joka lähinnä suojaa nosturia ja muuta reaktorin laitteistoa sään vaikutuksilta.

Mitä tapahtui?

Maanjäristyksen iskiessä reaktorit sammutettiin automaattisesti muutamassa sekunnissa laskemalla (Korjaus: tietenkin nostamalla, reaktorin rakenteesta johtuen) niinsanotut säätösauvat reaktoriytimeen. Säätösauvat “sammuttavat” ydinreaktion, eivätkä reaktorit siis ole olleet toiminnassa maanjäristyksestä alkaen. Missään vaiheessa onnettomuutta ei ole ollut vaaraa “käsistä karanneesta” ketjureaktiosta, ydinräjähdyksestä puhumattakaan. (Ydinräjähdykseen tarvitaan erittäin monimutkainen vekotin nimeltä ydinpommi. Yksikään ydinvoimala ei yksinkertaisesti pysty räjähtämään pommin tavoin.) 

Ydinreaktorissa on kuitenkin sammutuksen jälkeenkin vielä jälkilämpöä, joka aiheutuu polttoaineeseen muodostuneiden lyhytikäisten radioaktiivisten aineiden hajoamisesta. Jälkilämpö täytyy jäähdyttää, tai vaarana on polttoainenippujen vaurioituminen. Fukushimassa jäähdytys onnistui hyvin ensimmäisen tunnin ajan, kunnes kymmenmetrinen tsunami sammutti varageneraattorit. Maanjäristys oli katkaissut voimalan sähköyhteydet muualle Japaniin, joten jäähdytyspumpuilla ei ollut virtaa. 

Kun jäähdytys petti, reaktorissa ollut vesi alkoi kiehua höyryksi. Vedenpinta paineastian sisällä laski, paljastaen polttoainesauvat. Kun polttoainesauvojen yläosa paljastui, niiden lämpötila nousi huomattavasti. Polttoainesauvojen päällysteenä oleva zirkonium reagoi korkeissa lämpötiloissa vesihöyryn kanssa, hajottaen sen vedyksi ja hapeksi. Tämä, sekä höyryn paineen nousu, nostivat paineastian paineen noin kaksin-kolminkertaiseksi normaaliin käyttöpaineeseen verrattuna. Koska jäähdytystä ei ollut saatavilla, voimalan henkilökunta teki päätöksen laskea osa höyrystä ulos reaktorista, jotta itse reaktorin paineastia ja primääripiiri eivät vaurioituisi. He tekivät näin käyttäen yhtä yhdestätoista tätä tarkoitusta varten asennetusta, osin automaattisesta turvaventtiilistä. 

Reaktorista ulos päästetty höyry oli onnettomuuden alkuvaiheessa hyvin lievästi radioaktiivista, pääasiassa sen sisältämän radioaktiivisen typen vuoksi. Hyvin lievä radioaktiivisuus tarkoittaa tässä yhteydessä annosta, jonka saisi esimerkiksi lentämällä yhden kerran Yhdysvaltoihin. Radioaktiivisen typen puoliintumisaika on niin pieni, että minkäänlaista vaaraa ympäristölle ei aiheutunut, ennen kuin typpi oli hajonnut vaarattomaksi. 

Valitettavasti höyryn mukana tuli myös reaktorissa syntynyttä vetyä. Tämä vety kertyi suojarakennuksen päällä olevaan reaktorihalliin. Vedyn ja hapen seos on hyvin herkästi syttyvää, ja reaktorihallia olisi pitänyt tuulettaa. Jostain syystä näin ei voitu tehdä. Tuloksena olivat nähdyt kaksi dramaattista räjähdystä.

Räjähdykset eivät vahingoittaneet itse reaktoria tai reaktorin suojarakennusta. Ne tuhosivat ainoastaan kevytrakenteiset hallit reaktorin päällä. 

Samaan aikaan reaktorin ylikuumeneminen jatkui. Jossain vaiheessa onnettomuutta paljastuneiden polttoainenippujen lämpötila nousi niin korkeaksi, että zirkoniumputkiin tuli halkeamia. Näistä vapautui jonkin verran radioaktiivista cesiumia ja jodia reaktorin jäähdytysveteen. Kun reaktorin painetta jouduttiin laskemaan edelleen paineenalennusventtiilien kautta, osa cesiumista ja jodista pääsi ilmakehään. Näiden aineiden päästöt olivat vastuussa radioaktiivisuustason noususta voimala-alueella. Korkein mitattu annosnopeus voimala-alueella oli tietojeni mukaan 1500 mikrosievertiä/tunti, ja taso on laskussa. Uutisissa ei anneta vertailukohtia, joten tässä yksi esimerkki: voimalan lähellä oleskelleet ihmiset olisivat pahimmillaan saaneet noin kolmea röntgenkuvaa vastanneen säteilyannoksen. 

Cesiumin havaitseminen oli osoitus myös siitä, että polttoainesauvat ovat vaurioituneet. Osa polttoainenipuista on saattanut sulaa; pahimmassa tapauksessa näiden sisältämä polttoaine on päätynyt reaktorin paineastian pohjalle. Näin kävi Three Mile Islandin onnettomuudessa 1979. Kun reaktorin henkilökunnalle selvisi, että polttoainenipuissa on vaurioita, reaktoria ryhdyttiin jäähdyttämään merivedellä. Näin ei tehty aikaisemmin, koska meriveden käyttäminen tekee reaktorista käyttökelvottoman. Nyt reaktorit on täytetty merivedellä, johon on lisätty vielä varmuuden vuoksi boorihappoa. Boori toimii säätösauvojen tapaan ydinreaktion sammuttajana, varmistaen, että vaikka reaktorin ydin olisi täysin tuhoutunut ja sulanut suojarakennuksen pohjalle, ydinreaktiota ei voisi tapahtua. 

Ydinpolttoaine jäähtyy koko ajan. Riskiä merkittävästä radioaktiivisten aineiden vuodosta tai suojarakennuksen vaurioista ei ole. 

Mitä olisi voinut tapahtua?

Jos merivettä ei olisi jostain syystä voitu käyttää jäähdytykseen, reaktorin painetta olisi täytynyt säännöllisin väliajoin alentaa laskemalla höyryä ilmakehään. Kun suurin osa jäähdytysvedestä olisi laskettu ulos, uloin suojarakennus olisi suljettu kokonaan ja ytimen olisi annettu sulaa. Three Mile Islandissa ytimen sulaminen pysähtyi reaktorin paineastian sisäpuolelle, kun sulaan zirkoniumiin ja uraanioksidiin verrattuna hyvin kylmä teräs jäähdytti nopeasti sulaneet roiskeet. Ytimen sulaminen olisi pysähtynyt viimeistään suojarakennuksen pohjalle, tätä varten valettuun grafiittisekoitteiseen betonilaattaan. Niin kauan kuin suojarakennus säilyisi ehjänä (ja se on säilynyt ehjänä koko onnettomuuden ajan), ympäristöön ei olisi päässyt merkittäviä (=yleisöä vaarantavia määriä) radioaktiivisia aineita. 

Ytimen sulamisen jälkeen suojarakennusta pidettäisiin suljettuna jonkin aikaa, antaen ydinsulan jäähtyä ja jähmettyä. Samalla reaktorin sisälle vapautuneet radioaktiiviset hiukkaset sitoutuisivat reaktorin rakenteisiin. Ennen pitkää jäähdytysjärjestelmä olisi kytketty käyntiin, ja ydinsula jäähdytetty. Suojarakennus siivottaisiin sisäpuolelta, ja sulanut ydin paloiteltaisiin roboteilla kappaleiksi ja pakattaisiin kuljetuskanistereihin. 

Näin toimittiin Three Mile Islandissa ytimen osittaiseen sulamiseen johtaneen onnettomuuden jälkeen. Three Mile Island ei vaarantanut yhdenkään ihmisen henkeä tai terveyttä. Lukuunottamatta voimalan työntekijöitä, Fukushimakaan ei vaarantanut yhdenkään ihmisen henkeä tai terveyttä. Massiivinen evakuointi voimalan läheltä on enemmänkin osoitus herkkyydestä, jolla ydinturvallisuuteen suhtaudutaan – ei niinkään todellisesta vaarasta. 

Missään vaiheessa ei ole ollut mahdollista, että reaktorin sisältö leviäisi räjähdysmäisesti ympäristöön. Tshernobylissä laskeuman aiheutti reaktorin rakenteissa olleen grafiitin tulipalo, ja suojarakennuksen puuttuminen. Fukushiman reaktorissa ei ole palavia aineita. Vaikka reaktorin sisällä olisi tapahtunut räjähdys, reaktorin heikoin kohta on jäähdytysputkiston liitos reaktoriastiaan. Paineastia olisi siis murtunut sieltä. Liitoskohta on vielä suojarakennuksen sisällä, ja paineastiasta karanneet radioaktiiviset aineet olisivat jääneet suojarakennuksen sisälle. 

Vaikka jokin mekanismi olisi rikkonut suojarakennuksen, tulipalon mahdollisuuden puuttuessa suurin osa radioaktiivisista aineista ei olisi voinut levitä kuten Tshernobylissa. Ilmaan olisi päässyt lähinnä cesiumia ja jodia. Tshernobylin ja Fukushiman eroista lisää esim. täällä.

Mikä on tilanne, ja mitä tulee tapahtumaan?

• Tilanne on vielä vakava ja reaktorien vakaana pitäminen vaatii vielä toimenpiteitä, mutta vakavaa onnettomuutta ei ole odotettavissa – vaikka korjausyritykset epäonnistuisivatkin. Pieniä määriä radioaktiivisia aineita pääsee todennäköisesti ilmakehään, mutta pitoisuudet ovat niin vähäisiä, että niistä ei tule olemaan terveysvaikutuksia. Jos luette uutisointia päästöistä, yrittäkää etsiä tietoa, kuinka suuria päästöt todennäköisesti ovat – toimittajat eivät osaa vertailla asioita, vaan heille kaikki radioaktiiviset päästöt ovat samanarvoisia. Tähän mennessä pahin päästö vastaa annoksena kolmea röntgenkuvaa, ja eniten säteilyä saaneen työntekijän annos vastaa vuoden asumista hyvin korkean luontaisen taustasäteilyn alueella.
• Tähän mennessä vapautuneiden radioaktiivisten aineiden pitoisuudet ovat pieniä. Jos olisit istunut voimalan savupiipun vieressä onnettomuuden tapahtuessa, eliniänodotteesi laskisi todennäköisesti saman verran kuin jos tupakoisit koko ikäsi. Kauempana voimalasta pitoisuudet olivat pahimmillaankin huomattavasti pienempiä. Pitkäaikaisia terveysvaikutuksia ei todennäköisesti tule kuin enintään muutamalle pahiten altistuneelle voimalan työntekijälle. Suurin terveysriski on tiedonpuutteen ja yliampuvien otsikoiden aiheuttama stressi ja paniikki: Tshernobylin vakavin terveysvaikutus oli 100 000 – 200 000 terveen sikiön abortointi, kun äidit pelkäsivät epämuodostumia – suotta. 
• Suomessa ei voida havaita minkäänlaisia vaikutuksia edes tarkimmilla ja herkimmillä mittareilla. 
• Reaktoreiden polttoainesauvoissa on jonkin verran vaurioita. Sekä reaktoreiden 1, 2 että 3 paineastia, primääripiiri, ja suojarakennus ovat ehjiä ja tiiviitä (muuten paine ei voisi olla normaalin käyttöpaineen tasolla, kuten se nyt on).
• Jäähdytykseen käytetyn meriveden epäpuhtaudet muuttuvat lievästi radioaktiivisiksi. Merivesi tullaan kierrättämään suodattimien läpi näiden epäpuhtauksien poistamiseksi. Sen jälkeen merivesi korvataan normaalilla puhtaalla jäähdytysvedellä. 
• Ennen pitkää reaktorin paineastia avataan ja reaktoriydin nostetaan pois, aivan kuin normaalissa polttoaineen vaihdossa.
• Sulaneet polttoainesauvat kaavitaan reaktorin pohjalta roboteilla ja kuljetetaan jälleenkäsiteltäviksi.
• Virheistä opitaan, ja Japanin reaktorit tullaan tarkastamaan ja päivittämään kestämään vähintään magnitudi 9.0 maanjäristys ja tsunami, tai todennäköisesti enemmän.

Samaan aikaan Fukushimassa padon murtuma huuhtoi mennessään 1800 kotia. Muualla Japanissa kuolleita on luultavasti kymmeniä tuhansia, loukkaantuneita ja kodittomia vielä enemmän. Ainakin yksi öljynjalostamo on tulessa, palon levittäessä myrkkyjä asuinalueille. Kokonaisia kaupunkeja on hävinnyt kartalta. Nämä ovat tämän hirmuisen katastrofin todellisia vahinkoja – ei Fukushiman onnettomuus. 

LISÄYS 14.3. 12:30:

STUK:in tiedotteessa Fukushiman säteilyannoksista on taulukko, jossa on esimerkkejä säteilyannoksista. Taulukko on muuten erinomainen, mutta useita ihmisiä on hämännyt, että Fukushiman säteilyannokset on ilmoitettu mikrosieverteinä kun taas esimerkit annoksista ovat millisieverteinä. Koska millisievertin tunnus on mSv ja mikrosievertin μSv, erehdys on helppo tehdä – mutta yksiköiden ero on tuhatkertainen!

Tässä siis tietoja Fukushiman säteilytilanteesta ja esimerkkejä, samoissa yksiköissä (mikrosievert eli  μSv, tai mikroSv). LISÄYS 14.3. klo 13.10: Lisäsin tietoja Japanin normaalista taustasäteilyn tasosta, sekä vertailun vuoksi esimerkkejä Iranin Ramsarista, jossa on mitattu maailman korkeimpia luonnollisen taustasäteilyn tasoja. Ramsarissa ei ole kyetty havaitsemaan mainittavia terveysvaikutuksia. Lähde

Suurin mitattu hetkellinen annosnopeus: 1500 μSv/h

Tämänhetkinen annosnopeus: 50 μSv/h

Suurin työntekijällä mitattu annos: 100 000 μSv

• 10 mikrosievertiä: Hammasröntgenkuvauksesta potilaalle aiheutuva annos
• 100 mikrosievertiä: Keuhkojen röntgenkuvauksesta potilaalle aiheutuva annos¨
• 430-1260 mikrosievertiä: Japanilaiselle luonnon taustasäteilystä aiheutuva annos vuodessa, lähde
• 2000 mikrosievertiä: Annos, jonka lentokoneessa työskentelevä saa kosmisesta säteilystä vuodessa
• 3700 mikrosievertiä: Suomalaiselle säteilystä (sisäilman radon, röntgentutkimukset jne.) aiheutuva keskimääräinen annos vuodessa
• 20 000 mikrosievertiä: Tietokonetomografiakuvaus 
• 50 000 mikrosievertiä: Säteilytyöntekijälle suurin sallittu (lakisääteinen) annos vuoden aikana
• 100 000 mikrosievertiä: suurin Fukushiman työntekijältä mitattu annos
• 102 000 mikrosievertiä: keskimääräinen mitattu luonnollisen taustasäteilyn vuosittainen annos, Ramsar, Iran (lähde)
• 260 000 mikrosievertiä: suurin mitattu luonnollisen taustasäteilyn vuosittainen annos, Ramsar, Iran (lähde)
• 6 000 000 mikrosievertiä: Annos, joka vuorokauden aikana saatuna saattaa johtaa henkilön kuolemaan. Tällaisen annoksen voi saada vain esimerkiksi silloin, kun henkilö on lähellä sitä paikkaa, jossa räjäytetään ydinase.

Esimerkkejä annosnopeuksista:

• 0,04-0,30 mikrosievertiä tunnissa: Luonnon taustasäteily Suomessa
• 0,4 mikroSv/h: Annosnopeus, jonka ylittyessä Suomen säteilyvalvontaverkon automaattinen säteilymittari hälyttää
• 5 mikroSv/h: Annosnopeus lennettäessä 12 kilometrin korkeudessa
• 5 mikroSv/h: Tshernobylin onnettomuuden aikana suurin mitattu annosnopeus Suomessa
• 5-50 mikroSv/h: annosnopeus 2 km päässä Fukushimasta
• 30 mikroSv/h: Isotooppihoitoa saaneesta potilaasta metrin etäisyydellä mitattu annosnopeus, jonka alittuessa potilas pääsee kotiin
• 50 mikroSv/h: annosnopeus Fukushimassa
• 100 mikroSv/h: Suojelutoimet (esim. sisälle suojautuminen) ovat tarpeen
• 1500 mikroSv/h: suurin mitattu hetkellinen annosnopeus Fukushimassa

PÄIVITYS 14.3. KLO 15:40:

Uutisten mukaan myös reaktorissa numero kaksi on ongelmia. Polttoainesauvat ovat jääneet kokonaan ilman jäähdytystä. Jos jäähdytystä ei kyetä palauttamaan, ollaan tilanteessa ”mitä voisi tapahtua.” Polttoainesauvojen zirkoniumseoskuori voi sulaa, jolloin polttoainepelletit tippuisivat reaktorin pohjalle. Näin kävi vuonna 1979 Three Mile Islandissa.

Vaikka tämä saattaa johtaa vielä uusiin paineenlaskuihin, vakavan onnettomuuden riski on kuitenkin pieni. Tämä johtuu kahdesta asiasta: 1) polttoaine on ehtinyt jo jäähtyä muutaman päivän, ja 2) polttoainenippujen hajoaminen lisää polttoaineen pinta-alaa, ja helpottaa jäähdytystä. 

Lisään asiaa sitä mukaa kun tietoa tulee.

PÄIVITYS 14.3. KLO 16.45: Kakkosreaktorin jäähdytys toimii nähtävästi jälleen.