http://bravenewclimate.com/2011/03/13/fukushima-simple-explanation/
Posted on 13 March 2011 by Barry Brook
Twitter updates: @BraveNewClimate
New 15 March: Fukushima Nuclear Accident – 15 March summary of situation
New 14 March: Updates and additional Q&A information here and Technical details here
福島原発事故-簡潔で正確な解説 (version 3)：(東京大学エンジニアリング在学生の翻訳) (thanks to Shota Yamanaka for translation)
Other translations: Italian, Spanish, German, 普通话
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Along with reliable sources such as the IAEA and WNN updates, there is an incredible amount of misinformation and hyperbole flying around the internet and media right now about the Fukushima nuclear reactor situation. In the BNC post Discussion Thread – Japanese nuclear reactors and the 11 March 2011 earthquake (and in the many comments that attend the top post), a lot of technical detail is provided, as well as regular updates. But what about a layman’s summary? How do most people get a grasp on what is happening, why, and what the consequences will be?
Below I reproduce a summary on the situation prepared by Dr Josef Oehmen, a research scientist at MIT, in Boston. He is a PhD Scientist, whose father has extensive experience in Germany’s nuclear industry. This was first posted by Jason Morgan earlier this evening, and he has kindly allowed me to reproduce it here. I think it is very important that this information be widely understood.
Please also take the time to read this: An informed public is key to acceptance of nuclear energy — it was never more relevant than now.
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NOTE: Content Updated 15 March, see: http://mitnse.com/
We will have to cover some fundamentals, before we get into what is going on.
New 15 March: Fukushima Nuclear Accident – 15 March summary of situation
New 14 March: Updates and additional Q&A information here and Technical details here
福島原発事故-簡潔で正確な解説 (version 3)：(東京大学エンジニアリング在学生の翻訳) (thanks to Shota Yamanaka for translation)
Other translations: Italian, Spanish, German, 普通话
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Along with reliable sources such as the IAEA and WNN updates, there is an incredible amount of misinformation and hyperbole flying around the internet and media right now about the Fukushima nuclear reactor situation. In the BNC post Discussion Thread – Japanese nuclear reactors and the 11 March 2011 earthquake (and in the many comments that attend the top post), a lot of technical detail is provided, as well as regular updates. But what about a layman’s summary? How do most people get a grasp on what is happening, why, and what the consequences will be?
Below I reproduce a summary on the situation prepared by Dr Josef Oehmen, a research scientist at MIT, in Boston. He is a PhD Scientist, whose father has extensive experience in Germany’s nuclear industry. This was first posted by Jason Morgan earlier this evening, and he has kindly allowed me to reproduce it here. I think it is very important that this information be widely understood.
Please also take the time to read this: An informed public is key to acceptance of nuclear energy — it was never more relevant than now.
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NOTE: Content Updated 15 March, see: http://mitnse.com/
We will have to cover some fundamentals, before we get into what is going on.
Construction of the Fukushima nuclear power plants
The plants at Fukushima are Boiling Water Reactors (BWR for short). A BWR produces electricity by boiling water, and spinning a a turbine with that steam. The nuclear fuel heats water, the water boils and creates steam, the steam then drives turbines that create the electricity, and the steam is then cooled and condensed back to water, and the water returns to be heated by the nuclear fuel. The reactor operates at about 285 °C.
The nuclear fuel is uranium oxide. Uranium oxide is a ceramic with a very high melting point of about 2800 °C. The fuel is manufactured in pellets (cylinders that are about 1 cm tall and 1 com in diameter). These pellets are then put into a long tube made of Zircaloy (an alloy of zirconium) with a failure temperature of 1200 °C (caused by the auto-catalytic oxidation of water), and sealed tight. This tube is called a fuel rod. These fuel rods are then put together to form assemblies, of which several hundred make up the reactor core.
The solid fuel pellet (a ceramic oxide matrix) is the first barrier that retains many of the radioactive fission products produced by the fission process. The Zircaloy casing is the second barrier to release that separates the radioactive fuel from the rest of the reactor.
The core is then placed in the pressure vessel. The pressure vessel is a thick steel vessel that operates at a pressure of about 7 MPa (~1000 psi), and is designed to withstand the high pressures that may occur during an accident. The pressure vessel is the third barrier to radioactive material release.
The entire primary loop of the nuclear reactor – the pressure vessel, pipes, and pumps that contain the coolant (water) – are housed in the containment structure. This structure is the fourth barrier to radioactive material release. The containment structure is a hermetically (air tight) sealed, very thick structure made of steel and concrete. This structure is designed, built and tested for one single purpose: To contain, indefinitely, a complete core meltdown. To aid in this purpose, a large, thick concrete structure is poured around the containment structure and is referred to as the secondary containment.
Both the main containment structure and the secondary containment structure are housed in the reactor building. The reactor building is an outer shell that is supposed to keep the weather out, but nothing in. (this is the part that was damaged in the explosions, but more to that later).
Fundamentals of nuclear reactions
The uranium fuel generates heat by neutron-induced nuclear fission. Uranium atoms are split into lighter atoms (aka fission products). This process generates heat and more neutrons (one of the particles that forms an atom). When one of these neutrons hits another uranium atom, that atom can split, generating more neutrons and so on. That is called the nuclear chain reaction. During normal, full-power operation, the neutron population in a core is stable (remains the same) and the reactor is in a critical state.
It is worth mentioning at this point that the nuclear fuel in a reactor can never cause a nuclear explosion like a nuclear bomb. At Chernobyl, the explosion was caused by excessive pressure buildup, hydrogen explosion and rupture of all structures, propelling molten core material into the environment. Note that Chernobyl did not have a containment structure as a barrier to the environment. Why that did not and will not happen in Japan, is discussed further below.
In order to control the nuclear chain reaction, the reactor operators use control rods. The control rods are made of boron which absorbs neutrons. During normal operation in a BWR, the control rods are used to maintain the chain reaction at a critical state. The control rods are also used to shut the reactor down from 100% power to about 7% power (residual or decay heat).
The residual heat is caused from the radioactive decay of fission products. Radioactive decay is the process by which the fission products stabilize themselves by emitting energy in the form of small particles (alpha, beta, gamma, neutron, etc.). There is a multitude of fission products that are produced in a reactor, including cesium and iodine. This residual heat decreases over time after the reactor is shutdown, and must be removed by cooling systems to prevent the fuel rod from overheating and failing as a barrier to radioactive release. Maintaining enough cooling to remove the decay heat in the reactor is the main challenge in the affected reactors in Japan right now.
It is important to note that many of these fission products decay (produce heat) extremely quickly, and become harmless by the time you spell “R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-E.” Others decay more slowly, like some cesium, iodine, strontium, and argon.
When the earthquake hit, the nuclear reactors all automatically shutdown. Within seconds after the earthquake started, the control rods had been inserted into the core and the nuclear chain reaction stopped. At this point, the cooling system has to carry away the residual heat, about 7% of the full power heat load under normal operating conditions.
The earthquake destroyed the external power supply of the nuclear reactor. This is a challenging accident for a nuclear power plant, and is referred to as a “loss of offsite power.” The reactor and its backup systems are designed to handle this type of accident by including backup power systems to keep the coolant pumps working. Furthermore, since the power plant had been shut down, it cannot produce any electricity by itself.
For the first hour, the first set of multiple emergency diesel power generators started and provided the electricity that was needed. However, when the tsunami arrived (a very rare and larger than anticipated tsunami) it flooded the diesel generators, causing them to fail.
One of the fundamental tenets of nuclear power plant design is “Defense in Depth.” This approach leads engineers to design a plant that can withstand severe catastrophes, even when several systems fail. A large tsunami that disables all the diesel generators at once is such a scenario, but the tsunami of March 11th was beyond all expectations. To mitigate such an event, engineers designed an extra line of defense by putting everything into the containment structure (see above), that is designed to contain everything inside the structure.
When the diesel generators failed after the tsunami, the reactor operators switched to emergency battery power. The batteries were designed as one of the backup systems to provide power for cooling the core for 8 hours. And they did.
After 8 hours, the batteries ran out, and the residual heat could not be carried away any more. At this point the plant operators begin to follow emergency procedures that are in place for a “loss of cooling event.” These are procedural steps following the “Depth in Defense” approach. All of this, however shocking it seems to us, is part of the day-to-day training you go through as an operator.
At this time people started talking about the possibility of core meltdown, because if cooling cannot be restored, the core will eventually melt (after several days), and will likely be contained in the containment. Note that the term “meltdown” has a vague definition. “Fuel failure” is a better term to describe the failure of the fuel rod barrier (Zircaloy). This will occur before the fuel melts, and results from mechanical, chemical, or thermal failures (too much pressure, too much oxidation, or too hot).
However, melting was a long ways from happening and at this time, the primary goal was to manage the core while it was heating up, while ensuring that the fuel cladding remain intact and operational for as long as possible.
Because cooling the core is a priority, the reactor has a number of independent and diverse cooling systems (the reactor water cleanup system, the decay heat removal, the reactor core isolating cooling, the standby liquid cooling system, and others that make up the emergency core cooling system). Which one(s) failed when or did not fail is not clear at this point in time.
Since the operators lost most of their cooling capabilities due to the loss of power, they had to use whatever cooling system capacity they had to get rid of as much heat as possible. But as long as the heat production exceeds the heat removal capacity, the pressure starts increasing as more water boils into steam. The priority now is to maintain the integrity of the fuel rods by keeping the temperature below 1200°C, as well as keeping the pressure at a manageable level. In order to maintain the pressure of the system at a manageable level, steam (and other gases present in the reactor) have to be released from time to time. This process is important during an accident so the pressure does not exceed what the components can handle, so the reactor pressure vessel and the containment structure are designed with several pressure relief valves. So to protect the integrity of the vessel and containment, the operators started venting steam from time to time to control the pressure.
As mentioned previously, steam and other gases are vented. Some of these gases are radioactive fission products, but they exist in small quantities. Therefore, when the operators started venting the system, some radioactive gases were released to the environment in a controlled manner (ie in small quantities through filters and scrubbers). While some of these gases are radioactive, they did not pose a significant risk to public safety to even the workers on site. This procedure is justified as its consequences are very low, especially when compared to the potential consequences of not venting and risking the containment structures’ integrity.
Since some of the fuel rod cladding exceeded 1200 °C, some fuel damage occurred. The nuclear material itself was still intact, but the surrounding Zircaloy shell had started failing. At this time, some of the radioactive fission products (cesium, iodine, etc.) started to mix with the water and steam. It was reported that a small amount of cesium and iodine was measured in the steam that was released into the atmosphere.
Since the reactor’s cooling capability was limited, and the water inventory in the reactor was decreasing, engineers decided to inject sea water (mixed with boric acid – a neutron absorber) to ensure the rods remain covered with water. Although the reactor had been shut down, boric acid is added as a conservative measure to ensure the reactor stays shut down. Boric acid is also capable of trapping some of the remaining iodine in the water so that it cannot escape, however this trapping is not the primary function of the boric acid.
The water used in the cooling system is purified, demineralized water. The reason to use pure water is to limit the corrosion potential of the coolant water during normal operation. Injecting seawater will require more cleanup after the event, but provided cooling at the time.
This process decreased the temperature of the fuel rods to a non-damaging level. Because the reactor had been shut down a long time ago, the decay heat had decreased to a significantly lower level, so the pressure in the plant stabilized, and venting was no longer required.
***UPDATE – 3/14 8:15 pm EST***
Units 1 and 3 are currently in a stable condition according to TEPCO press releases, but the extent of the fuel damage is unknown. That said, radiation levels at the Fukushima plant have fallen to 231 micro sieverts (23.1 millirem) as of 2:30 pm March 14th (local time).
***UPDATE – 3/14 10:55 pm EST***
The details about what happened at the Unit 2 reactor are still being determined. The post on what is happening at the Unit 2 reactor contains more up-to-date information. Radiation levels have increased, but to what level remains unknown.
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http://bravenewclimate.com/2011/03/12/japan-nuclear-earthquake/
Please use this Discussion Thread for the situation in Japan with respect to the Miyagiken-Oki earthquake (9.0 magnitude) and associated 10m tsunami, and its impact on the local nuclear reactors. Here is a précis of the situation as I understand it:
1. There is no credible risk of a serious accident. All reactors responded by insertion of control rods to shut down their nuclear reactions. Thus, power levels in all cases dropped quickly to about 5% of maximum output, and the nuclear chain reaction ceased (i.e., all units are subcritical).
Note: I judge the situation would currently be rated INES Level 4: Accident with local consequences on the international nuclear event scale. Update: This level has been confirmed by WNN (5:50 GMT).
2. The concern is providing emergency cooling water to the reactor cores to remove decay heat from the fuel rods. This residual heat comes from the fission products, and will be persistent, but diminishes rapidly over time (i.e., most decay heat occurs over minutes and hours, with cold shutdown within a few days).
3. At one plant, the 40-year old Fukushima Daiichi (unit #1 opened in 1971), the backup diesel generators supply power to the core cooling system failed (apparently due to damage from the tsunami). This allowed pressure to build up in at least one of the reactors cores to about 50% higher than normal (unit 1), and requires venting of very mildly radioactive steam (contains trace levels of tritium). Some discussion here.
6. There are reports of partial exposure of the fuel at Daiichi unit #1, following coolant evaporation that, for a short time, exceeded inputs from the secondary cooling system. Such exposure can lead to some melting of the metal cladding (the ‘wrapping’ of the fuel rods), or the uranium rods themselves if the exposure is prolonged. This is what is technically referred to as a ‘meltdown’. I am still not clear if this exposure of the fuel assemblies actually happened (some evidence here), nor if any fuel underwent melt (due to decay heat, not a critical nuclear reaction).
7. The plant closest to the earthquake epicentre, Onagawa, stood up remarkably well, although there was a fire in a turbine building on site but not associated with the reactor operations, and therefore was not involved with any radioactive systems.
8. There has been an explosion at Fukushima Daiichi
at 16:30 JST (7:30 GMT) on March 12. Note: There is no critical nuclear reaction occurring in any of these reactors, and it CANNOT reinitiate as all neutron-absorbing control rods are grounded. As such, any at a plant site fire would be chemical (e.g., hydrogen) or steam pressure during venting (see point #3).
Quote from WNN on the explosion:
Television cameras trained on the plant captured a dramatic explosion surrounding Fukushima Daiichi 1 at around 6pm. Amid a visible pressure release and a cloud of dust it was not possible to immediately know the extent of any damage. Later television shots showed a naked steel frame remaining at the top of the reactor building. The external building structure does not act as the containment, which is an airtight engineered boundary within.
Chief cabinet secretary Yukio Edano appeared on television to clarify that the explosion had damaged the walls and roof of the reactor building but had not compromised the containment.
Monitoring of Fukushima Daiichi 1 had previously shown an increase in radiation levels detected near to the unit emerging via routes such as the exhaust stack and the discharge canal. These included caesium-137 and iodine-131, Nisa said, noting that levels began to decrease after some time.
Nevertheless the amount of radiation detected at the site boundary reached 500 microSieverts per hour – exceeding a regulatory limit and triggering another set of emergency precautions. It also meant the incident has been rated at Level 4 on the International Nuclear Event Scale (INES) – an ‘accident with local consequences’.
Note: The seawater might be used for spraying within the containment, for additional cooling, rather than injection into the reactor core. That is what comes of too much uncertainty and too little hard information.
Japan Chief Cabinet Secretary Yukio Edano, via Reuters:
Some useful links for further information:
Battle to stabilise earthquake reactors (World Nuclear News)
Factbox – Experts comment on explosion at Japan nuclear plant (some excellent and informative quotes)
ANS Nuclear Cafe updates (useful news feed)
How to Cool a Nuclear Reactor (Scientific American interview with Scott Burnell from the NRC)
Nuclear Power Plants and Earthquakes (World Nuclear Association fact sheet)
Tokyo Electric Power Company updates here and here (the plant operators)
Capacity Factor: Some links on the Fukushima Daiichi #1 crisis (with updates)
This is a critical time for science, engineering and facts to trump hype, fear, uncertainty and doubt.
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Updates Below
International Atomic Energy Agency: Japan nuclear plants nearest earthquake safely shut down
TEPCO updates for Fukushima Daiichi (Plant #1) and Daini (Plant #2): 8 am, 13 March
Heat from the nuclear fuel rods must be removed by water in a cooling system, but that requires power to run the pumps, align the valves in the pipes and run the instruments. The plant requires a continuous supply of electricity even after the reactor stops generating power.
With the steam-driven pump in operation, pressure valves on the reactor vessel would open automatically as pressure rose too high, or could be opened by operators. “It’s not like they have a breach; there’s no broken pipe venting steam,” said Margaret E. Harding, a nuclear safety consultant who managed a team at General Electric, the reactors’ designer, that analyzed pressure buildup in reactor containments.
“You’re getting pops of release valves for minutes, not hours, that take pressure back down”
IAEA alert log:
Japanese authorities have informed the IAEA’s Incident and Emergency Centre (IEC) that today’s earthquake and tsunami have cut the supply of off-site power to the Fukushima Daiichi nuclear power plant. In addition, diesel generators intended to provide back-up electricity to the plant’s cooling system were disabled by tsunami flooding, and efforts to restore the diesel generators are continuing.
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http://bravenewclimate.files.wordpress.com/2011/03/fukushima_explained_japanese_translationv3.pdf
福島原発事故-簡潔で正確な解説
2011/3/13 Barry Brook 投稿(http://bit.ly/gc9jeH)
2011/3/14 山中翔太訳。この記事はBarry Brook 様のご厚意により日本語に訳させていただきました。
誤訳情報はtwitter のアカウント(@shotayam) へ。意訳しており多少原文と意味が違うところがあります
のでご注意を。目に余るミスがある場合ご連絡を。
ここ数日、あまりにも原発報道が加熱しているところがあると感じており、専門的で客観的な意見が欠如していたように感じます。そのときRT で流れて来た記事がこれでした。この記事は専門的な知識を使い解説していてかなり長い文章ですが、かなりわかりやすく読みやすい文章です(訳が下手なのは本当に申し訳ないです)。これをきっかけに、数名でもいいので、宮城で起こっていることに関して少しでも安心して様子を見ていただければと思います。
意外と安全ですよ。不安に感じるのは知らないだけだと思います、本当に。
3/14 23:00 追加
ちょっと勢いが出てきたので補足を。
僕は航空宇宙工学科の学生であり、原子力関係の知識は大学教養レベルしかありません。つまり素人です。よってBrook 氏の意見も正しいかどうか僕にはわかりません。ただ、僕は日本では聞いたことのない一つの専門家の意見として、Brook 氏の発言は素晴らしいと思い、訳してみた次第です。どうか信じ込むことはやめてください、僕としても情報を一から十まで保証出来ません。ただ訳しているだけであり、誤訳もあるかもしれません。
ただ、一専門家の意見としてはテレビで聞けない意見だと思うので、「参考程度」という気持ちで読んで頂ければと思います。
3/14 15:00 追加
今回は様々なご意見/情報/励ましの言葉を頂きました。一つ一つに返信出来ず申し訳御座いません。特に@tomokazutomokaz 様には多数のご指摘を賜りました。全ての方々に心から感謝致します。皆様からのご指摘に加え、他の訳文等を考慮しまして新しいバージョンを作成致しました。これはtwitter でコメントを頂かなければ作成出来なかったバージョンで御座います、コメントを送って頂いた方に深く感謝致します。
最後に、夜深い時間誤訳訂正・相談の電話に応じてくれ、最も参考になる意見をくれた留学中の友人に深く感謝申し上げます。有難う御座います。
内容に関して新規追加・更新内容には「[ ]」をつけています。
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注:この記事は3/12 日時点、４日以上前のもので、当時と現在の状況は異なっています。この記事で説明されていない事態も起こっています。元記事の訂正版も出ています(このpdf の最後にまとめあり。必ず読んでください)。
ただ、原子力発電所の構造、その他一般基礎知識に関する説明は現在でも役に立つのではと考え、また、前バージョンの誤訳の訂正のため、更新致しました。
IAEA やWNN 等信頼が置ける情報によると、現在福島原発の状況についてインターネットやメディアでは信じられない量の誤った情報が流れているようです。BNC の記事"Discussion Thread - Japanese nuclear eactors and the 11 March 2011 earthquake"とそのコメントでは多くの技術的に詳細な状況が提供されています。しかし、その要旨とは？どのようにして多くの人が今起こっていること、その理由、そして今から起こることについて情報を得るのでしょうか。
以下に私はMIT research scientist のDr Josef Oehmen による状況の要約を再掲します。彼は博士であり、彼の父はドイツの核工業で多くの経験を積んでいます。これはJason Morgan により今宵はじめ(現地時間) に投稿されたもの(http://bit.ly/gUN6WX) であり、彼はここの再掲を快く了承してくれました。この情報が広く共有されることが重要だと私は考えています。
こちらを読むこともお忘れなく。今ほど役にたつときはありません。http://bit.ly/gqBKB8
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私はこの文章を3/12(現地時間) に書いており、日本の事故に関して安心してもらおうと思っています。まず、状況は深刻ですが、管理下にあります。そしてこの文章は長いです。しかしこの文章を読んだ後、あなたは全てのメディア記者よりも原子力発電所について理解することとなるでしょう。
重大な放射能の放出は、今までもありませんし、これからも「ありません」。
「重大な」とは、長距離の飛行や、元々の放射線レベルが高い地域で作られたビールを飲むことで受ける放射線より被曝量が多いことをいいます。
私自身地震がおきてから全てのニュースを読んでいます。しかし、今まで一つとして正確で誤りのないレポートはありませんでした(この問題の一部は日本危機通信の弱点の一部でもありましょう)。「誤りのないものがない」とは偏った非核報道(最近は極普通ですが) をさしているのではありません。「誤りのないものがない」というのは物理や自然法則に関する目に余る間違いであり、原発の建てられ方と制御方法についての基本的な理解の欠如による事実の大きな誤解でもあります。
私はCNN の3 ページにわたるレポートを読みましたが、その一つ一つの段落にはそれぞれ間違いが含まれていました。
今何が起こっているかを説明する前に、少し基礎をさらいましょう。
■福島原発の構造について福島の原発はBoiling Water Reactor(BWR) とよばれるもので、圧力鍋のようなものです。核燃料が水を熱し、水は蒸気をつくり、蒸気はタービンを回し電気を作り、そして蒸気は冷やされ凝縮し水にもどり、水は戻されてまた核燃料により熱せられます。圧力鍋は約250 度で動きます。
核燃料とは酸化ウランです。酸化ウランとはセラミックであり、3000 度というかなり高い融点をもちます。
燃料はペレット(レゴブロックの小さい円柱っぽいもの) 状に成形されます。これらはジルコニウム合金(融点2200 度) で作られた長い管に詰められ密閉されます。これを燃料棒といいます。この燃料棒は束ねられて、より大きなパッケージとなり、そのパッケージがいくつも反応炉に入れられます。これらを総称してコアと呼びます。
ジルコニウム合金のケースは最初の容器です。これで他の空間から放射性燃料を分離します。
コアは圧力容器に入れられます。これが前述の圧力鍋です。圧力容器は二番目の容器です。これは頑丈な鍋の様なもので、数百度のコアを安全に格納できるよう設計されています。[ある時点で冷却装置が回復する場合、この容器が役に立ちます。]
核反応炉の周辺器具含めた全て|圧力容器や全てのパイプ、ポンプ、冷却剤(水) 装置は三番目の容器に格納されます。この三番目の容器は密閉されており、最強の鉄で作られたとても厚いドームとなっています。三番目の容器はある一つの目的のために設計、建設、試験されています。完全な[コア] のメルトダウンを[制限時間無く無期限に] 内部で受け止めるという目的です。この目的のため、大きく厚いコンクリートの受け皿が圧力容器(二番目の容器) の下に位置し、黒鉛で充たされて[三番目の容器に収められています。] これがいわゆるコアキャッチゃーです。コアが溶け圧力容器が爆発し(最終的に溶け) ても、これが溶けた燃料諸々を捕えられます。核燃料は(訳注:おそらく容器内で) 拡散するように作られており、燃料を冷やすことが出来ます。
この三番目の容器は格納建屋に収められます。建屋は雨避けのようなものです(これが爆発で損傷した部分ですが、詳細は後述します)。
■核反応の基礎ウラン燃料は熱を核分裂で生み出します。大きなウラン原子が小さい原子に分裂します。このとき熱に加え中性子(原子を構成する粒子の一つ) を生み出します。中性子が別のウラン原子にぶつかるとウラン原子は分裂し、より多くの中性子を出し続けます。これが核連鎖反応と呼ばれるものです。
ところで、ただ多くの燃料棒を隣り合わせて詰めるだけでは速やかに過度の熱が発生し45 分後には燃料棒が溶けてしまいます。ここで重要なのは、反応炉の核燃料は「決して核爆弾のような核爆発を起こすことはない」ことです。核爆弾を作るのは実際とても難しいのです(イランに聞いてみてください)。チェルノブイリの爆発では、過度の圧力上昇、水素爆発そして全ての容器の破裂、溶けた核物質の外界への放出が発生しました("dirty bomb"です)。なぜこれが日本では起こらないのでしょうか。下で説明します。
核連鎖反応を制御するため、反応炉オペレーターは制御棒を使います。制御棒は中性子を吸収し、即座に連鎖反応を止めます。この操作が出来るよう核反応炉は設計されており、通常であれば全ての制御棒は引き抜かれています。そのとき冷却剤である水は熱を持ち去り(そして蒸気や電気を作ります) 同じ速度で核は熱を生み出します。250 度の通常運転ではたくさんのゆとりがあるのです。
問題は、制御棒を入れて連鎖反応を[止めた] 後にも、コアが熱を生みだしつづけることです。ウランは連鎖反応を止めます。ただ大量の放射性中間生成物が核分裂反応中ウランにより生成されます。最も重要なのはセシウムとヨウ素の同位体、つまり、放射能を持つものであり、これらは最終的に分裂し、小さくて放射能を持たない原子に変わります。このような中間放射性生成物が崩壊し続け熱を生みつづけます。この物質は最早ウランから生成されることがないので(ウランは制御棒を入れた後崩壊を止めます)、この中間物質はどんどん減ってゆき、数日かけて使い果たされると核は冷温停止します。
この残った熱が頭痛の種です。
まとめると、放射性物質の最初の「種類」は燃料棒の中にあるウランであり、加えてウランが分裂して生じる放射性の中間生成物も燃料棒の中にあります(セシウムやヨウ素です)。
燃料棒の外に、二番目の放射性物質が存在します。[この物質は最初の種類と大きく異なります]:この放射性物質はとても短い半減期を持っています。つまり、これらの物質はとても早く崩壊し、放射能のない通常の物質に分裂します。早くとは数秒ということです。つまり、もしこれらの放射性物質が外界に放出されても、そう、放射性物質が放出されてもです、危険ではありません、全くです。なぜでしょう。"RADIONUCLIDE"(放射性核種) と[綴っている] 間に、もうそれらは無害になっています。放射能のない物質に分解してしまうからです。この放射性物質とはN-16, 空気の窒素の放射性同位体です。他にはキセノンのような希ガスがあります。しかし、これらはどうしてできたのでしょうか。ウランが分裂すると中性子が出ます(上を見てください)。ほとんどの中性子は他のウランにあたり、核連鎖反応が続きます。しかし、いくつかは燃料棒を抜け水分子やその中にある[空気] に当ります。そして、放射能のない物質が中性子を吸収し放射能を持ちますが、上で述べたよう、この物質は速やかに(数秒以内に) 中性子を放出し、元の綺麗な物質に戻ります。
この二番目の「種類」の放射性物質が、外界に放出された放射能に関してとても重要です。
■福島で起きていること主要な事実を纏めたいと思います。日本で起こった地震は原発が想定した最悪な地震の16 倍です(リクタースケールは対数スケールであり、想定された8.2 と起こった9.0 は16 倍であり、0.8ではありません)。よって全てがもったという事実は、まず日本工学技術の賞賛に値するところです。
M9.0 の地震が起こったとき、全ての核反応炉は自動停止しました。地震が始まって数秒以内に制御棒はコアに入れられ、ウランの核連鎖反応は止められました。今、冷却システムが残った熱を取り去らなければなりません。余熱の負荷は通常運転の３％程度です。
地震で核反応炉の外部電力供給が止まりました。これは原発にとって最も深刻な事故であり、原発の停電はバックアップ設計時にかなり考慮されています。電力は冷却剤ポンプを動かし続けるために必要です。原発は停止したので、自力で電気を作り出せません。
一時間ほど事態はうまく進みました。複数ある非常用ディーゼル発電機の内の一つが稼働し、必要な電力を供給しました。そして津波が来ました。原発を建てたとき人々が予想だにしなかった大きさのものです(上述、16 倍)。津波は複数あった全てのディーゼル発電機をさらっていきました。
原子力発電所を設計するとき、技術者は多重防御たる哲学に従います。つまり、まず想像できる範囲でもっとも壊滅的な被害に耐えられるよう設計し、その被害に加えてありえないようなシステムの故障が起こったときもまだ制御が可能なように発電所を設計します。津波が全てのバックアップ電力システムを一度に持っていく、というのがこのありえないと思われることです。最終防御線は全てを三番目の容器の中(上述) に閉じ込めることです。この容器は、制御棒が入っても入っていなくても、コアが溶けても溶けなくても、全てを反応炉の中に保持します。
ディーゼル発電機が流されたとき、反応炉オペレーターは緊急バッテリー電源に切り替えました。バッテリーはコアを８時間冷やす電力を供給する、バックアップのためのバックアップの一つとして設計されました。そしてそれは確かに稼働しました。
[８時間以内に別の電源を見つけ原発に繋がれなければなりません。] 配電網は地震のため使用出来ませんでした。ディーゼル発電機は津波により壊されました。よって可搬性のディーゼル発電機が運び込まれたのです。
ここから事態が悪くなりました。外部発電機を原発につなげられなかったのです(プラグが合いませんでした)。よってバッテリーが使い切られたあと、残りの熱をもう取り除けなくなりました。
ここでオペレーターが冷却不可能たる緊急時の手順に従い始めます。再度、多重防御に従った手順です。[冷却システムの電源が完全に落ちるなんてありえませんが、今回は落ちました。] よって彼らは次の防御線へ後退しました。私たちにとっては衝撃的ですが、この全てはコアのメルトダウン対処まで想定された日々のトレーニングでオペレータが行っている作業の一部です。
コアのメルトダウンの話が出始めたのはこの段階です。[冷却装置を修理出来なければ、最終的に] コアが溶けてしまい(数時間、数日後)、最後の防衛線(コアキャッチャーと三番目の容器) が役割を果たさなければならない状況でした。
しかしこの段階のゴールは温度が上がりつつあるコアを制御することであり、最初の容器(核燃料を入れるジルコニウム合金管) を維持することであり、また二番目の容器(圧力鍋) を[できるだけ無傷で操作可能な状態に持つことであり、技術者に冷却装置を直す十分な時間を与えることでした]。
コアの冷却はこの様に[重要] なことなので、反応炉には複数の冷却装置が備えられ、そのそれぞれが[複数種の装置] を持ちます(反応炉冷却水浄化システム、反応熱除去装置、反応炉コア隔離時冷却装置、代替液体冷却システム、緊急コア冷却システム)。これらの状態については明らかでありません。
では、[コンロ] の上の圧力鍋を想像しましょう。弱火ですが、火はついています。オペレーターはできる限り熱を取り除くため冷却システムの機能を何でも使います、しかし圧力が高くなり始めました。こうなると最優先事項は、二番目の容器(圧力鍋) もですが、最初の容器を保つことです(2200 度以下に温度を抑えることです)。圧力鍋(二番目の容器) の健全性を保つために圧力を時々抜かなければなりません。緊急事態に減圧する能力は重要なので、反応炉には11 個の圧力開放バルブがついています。そこでオペレーターは圧力を制御するため蒸気を時々逃し始めました。温度はこの時点で約550 度でした。
このとき、放射線漏れの報告が入り始めました。蒸気を逃すことが理論的に放射能を外界に逃すことを意味し、また[何故それは危険でない] のか、は既に説明できたと思います。希ガス同様放射性窒素は人の健康の脅威にはならないのです。
この蒸気開放におけるある段階で、爆発は起きました。爆発は三番目の容器の外で起きました(私たちがいう「最後の防衛線」の「外」です)。建屋です。建屋が放射線防御に関してなにも役割を果たしていないことを思い出してください。何が起こったのかまだ完全に明らかにはなっていませんが、これがありえそうなシナリオでしょう:オペレーターは蒸気を圧力容器の外へ、直接外界にではなく建屋と三番目の容器の間に、開放することを決めました。蒸気中の放射性物質が崩壊するのに十分な時間を与えるためです。問題はこのときコアが達していた高い温度でした。このとき水分子は酸素と水素に分解します|爆発性の混合気です。そしてこれが三番目の容器の外で爆発し、建屋が損傷しました。爆発は以上のようなもので、(下手に設計されオペレーターにより適切に制御されなかった) チェルノブイリの爆発のような圧力容器の中ではありません。チェルノブイリの危険性は福島には絶対にありません。水素-酸素生成の問題は発電所を設計するにあたり重要な問題です(ソ連でない限り)、よって反応炉は水素爆発が容器の中で起こらないよう建てられ操作されます。爆発は外で起きました。それは意図したものではありませんが、想定の範囲内であり問題ありません。なぜならば爆発により容器にリスクが生じることはないからです。
そして圧力は管理下に置かれ、[蒸気] は開放されました。さて、もし鍋を熱し続けるなら、問題は水位がどんどん下がることです。コアは露出するまで数時間、数日かかるよう数メートルの水で被われています。一旦燃料棒の頭が出ると、45 分で露出した部分は2200 度の融点に達します。これが最初の容器、ジルコニウム合金管が壊れるときです。
そしてこれが現実になり始めました。冷却機能が復活する前に幾らかの(かなり限られたものだが、あることにはある) ダメージをいくつかの燃料棒が受けました。核物質それ事態はまだ傷ついていませんが、まわりのジルコニウム合金管は溶け始めました。このとき、ウラン崩壊の副生成物(放射性のセシウムやヨウ素) が少し蒸気に混ざり始めました。酸化ウランの棒は3000 度に達しない限り問題ないので、大きな問題(ウラン)は依然制御下にあります。かなり微量なセシウムとヨウ素が大気中に放出された蒸気中で観測されたことも確認されています。
これがプランB への"go"だったようです。観測された少量のセシウムで、オペレーターは最初の容器のどこかが壊れそうだということを察知しました。プランA はコアを通常の冷却システムで冷却するものでした。
[何故これが失敗したのかは明らかではありません。] 一つのもっともらしい説明は、津波が通常の冷却システムに必要な精製水をさらったか汚染したか、ということでしょう。
冷却システムで使われる水はとても綺麗で、ミネラルが除かれ(蒸留水のようなもの) ています。純水を使うのは、ウランの中性子による上述のような反応があるからです: 純水はそこまで激しい反応を起こさないので、実質放射能をもつことが出来ません。汚れた水、若しくは塩水は中性子を素早く吸収し、より放射能を持ちます。コアには影響がありません|それが何で冷やされるかは問題ではないのです。しかしオペレーターや機械工にとっては、少しだけ放射能を持った水を扱う作業は[大変困難なものになります]。
しかしプランA は失敗しました|冷却システムが機能しなかったか、精製水が切れてしまったのです|
よってプランB に移りました。以下は想像される事態の進展です:
コアのメルトダウンを避けるため、オペレーターはコアの冷却に海水を使い始めました。圧力鍋(二番目の容器) を海水で満た[したのか、] また三番目の容器を満た[して] 圧力鍋を水に浸[したのかは] 分かりません。
しかしそれは問題ではありません。
重要なのは核燃料が[冷やされていることです]。連鎖反応がかなり前に止まったので、今はただほんの僅かな余熱が作られているだけです。使われてきた大量の冷却水はその熱を取り除くのに十分です。大量の水があるので、深刻な圧力上昇を引き起こすだけの熱をコアはもう生み出すことが出来ません。また、ホウ酸が海水に加えられました。ホウ酸は「液体制御棒」です。どんな崩壊がいまだに進んでいても、ホウ素は中性子を捕まえ、コアの冷却を加速します。
発電所はコアのメルトダウンを起こしかけました。以下が既に避けられた最悪のケースです: もし海水が冷却に使えなかったら、オペレーターは圧力上昇を避けるため蒸気を開放し続けます。引き続き三番目の容器は完全に密閉され、コアのメルトダウンが起きても放射性物質は外に出られなくなります。メルトダウンの後、しばらく休止時間を設け、中間生成放射性物質を反応炉内で崩壊させ、全ての放射性粒子を容器内部表面に沈殿させます。冷却装置は最終的に回復し、メルトダウンしたコアは管理できる程度に冷却されます。容器は内部が洗浄されます。そして厄介な作業が始まります: 溶けたコアを容器から取り除き、既に固体に戻った燃料を少しずつ輸送容器につめ、処理場に輸送します。そして、損傷の具合によって、そのブロックは修理されるか廃炉となります。
■それでは、今からどうなるのでしょうか。
発電所はもう安全で、今からも安全でしょう。
日本はINES レベル4 の事故を経験しています。:近辺で収まる原子力事故です。それは発電所を所有する会社にとって悪いことですが、その他の誰にも損害はありません。
圧力を開放したとき、一部の放射線が放出されました。蒸気からの全ての放射性同位体は消えました(崩壊しました)。極僅かな量のセシウムが(ヨウ素と共に) 放出されました。放出の際もし煙突の上に座っていれば、元の生活に戻るために喫煙はやめた方がいいかもしれません。セシウムとヨウ素同位体は海に流れ、もう二度と現れません。
最初の容器に幾らかのダメージがあるようです。これはいくらかの放射性セシウムやヨウ素が冷却水の中に放出されることを意味しますが、ウランや他の危険な物質ではありません(酸化ウランは水に「溶けません」)。三番目の容器内部の冷却水を処理する機関もあります。放射性セシウムやヨウ素はそこで取り除かれ、最終的に放射性廃棄物として処理されることでしょう。
冷却水として使われる海水はある程度放射能を持つでしょう。制御棒が完全に入っているので、ウラン連鎖反応は起こっていません。これは主核反応が起こっていないということであり、これは現在の発熱反応に関与していないということです。ウラン崩壊反応がかなり前に停止しているので、中間放射性生成物(セシウムとヨウ素) もこの段階ではほとんど消えています。これは反応がさらに小さいことを意味しています。ボトムラインは、海水が低いレベルではありますが放射能を持っているということで、これも処理機関により取り除かれることでしょう。
そして海水は普通の冷却水に代わることでしょう。
反応炉のコアは廃棄され、処理機関に運ばれます。通常の運用と同じです。
燃料棒と全体としての発電所は潜在的な損傷を探すことになります。4,5 年かかるでしょう。
全ての日本の原発の安全システムは更新され、M9.0、またそれ以上の地震と津波に耐えられるようになるでしょう。
私が思うに、最も重要な問題は長引くであろう電力不足です。半分以上の日本の原子力反応炉が調査を受け、国の電力供給能力が15 % 落ちることになるでしょう。これは普段時々しか使わない火力発電所をフルに稼働することで補えるかもしれません。これにより潜在的な電力不足に加え、電気代の高騰が起こることでしょう。
もし情報が欲しいのなら、いつものメディアは忘れて以下のサイトを参考にしてください。
http://www.world-nuclear-news.org/RS_Battle_to_stabilise_earthquake_reactors_1203111.html
http://bravenewclimate.com/2011/03/12/japan-nuclear-earthquake/
http://ansnuclearcafe.org/2011/03/11/media-updates-on-nuclear-power-stations-in-japan/
注:この記事は3/12 日時点、つまり４日以上前のもので、当時と現在の状況は異なっています。この記事で説明されていない事態も起こっています。元記事の訂正版も出ています(このpdf の最後にまとめあり。必ず読んでください)。
3/14 11:00 追加。もう一度いうと、訳者は原子力に関して「素人」です。この情報の「正しさは判断で
きません」、ただ訳しているだけです。危険なことには変わりませんし、状況は刻一刻変わります。新しい情報を常に入れるよう、また別の専門家の意見も聞くようにした方がいいと思います。
3/16 追加。
参考にした訳:
http://blog.livedoor.jp/lunarmodule7/archives/2406950.html
http://loda.jp/vip2ch/?id=1284
http://yacchiman.blog65.fc2.com/blog-entry-198.html
参考になるであろう(した) サイト:
MIT 原子科学工学科の元記事訂正ページ: http://mitnse.com/
東京大学理学系研究科早野龍五教授（@hayano）、東大原子力系卒業生および有志協力チームによるページ:http://smc-japan.sakura.ne.jp/?p=752 私自身これを読んで安心しました。日本語で、更新されつづけており、専門知識を持った方が協力しているようです。
注意:元記事は3/12(「「４日も前です」」) にかかれたものであり、この文章が書かれた時期と現在の状況は異なります。つまり、この文章で「現在」と書かれていることは４日も前の状況であり、現在ではありません。しかし、この文章で得ることができる情報は、物事を「冷静に」評価するには今でも参考になると考えています。実際私自身、「危ないなぁ」とは思いますが、「何が起こっているんだ、怖い」とは思いません。今もう４日前の情報を更新することに反対する人がいらっしゃいますし、私もこれを見て「あぁ、じゃあ大丈夫か」と思ってもらうのは困ります。この文章で説明されていない事態が現在起こっています。しかし、その情報をこの情報と総合して考えることができれば、どこがどのように何故危ないのかは今でも、そしてこれからも(素人目で間違っているかもしれませんが) 解釈ができ、とりあえずパニックにならず済むでしょう(しかし、危険性は感じていた方がよいと思います)。その参考情報として、４日前の情報として、捉えてくださればというのが、訳者の私の願いです。
訂正版(3/13, 恐らくEST) では以下の点が訂正されています(見落としていたらすみません)。
反応炉は約285 度で運転されます(原文:圧力鍋が250 度で動く)。
酸化ウランの融点は約2800 度です(原文:3000 度)。
ペレットのレゴブロックくらいの大きさとは、直径高さ共に1cm 程度のことをいいます。
ジルコニウム合金は2200 度で溶けるのではなく、1200 度時点で水素と反応して溶けます。
ジルコニウム合金が最初の防御壁ではなく、ペレット自体放射能をもつ物質を保持することが出来ます。ジルコニウム合金は二番目の防御壁です。同様圧力容器が三番目、その外の容器(格納構造物"containment structure") が四番目になります。
圧力容器は通常7Mpa(大気圧の700 倍程度) で運転されます。
「コア・キャッチャー」はコアキャッチャーといわないようで、二番目のコンテナ("the secondary
container") と呼びます。原文では圧力容器のことを"second containment"と読んでいました。ま
た、この容器は四番目の容器(格納構造物) の周り(つまり外) に十分にあり、四番目のコンテナと同様の目的のために作られていますが、別物です。これも容器と共に建屋に収められます。
チェルノブイリでは四番目の容器(格納構造物) はありませんでした。
制御棒はホウ素で作られており、パワーを100% から7 % まで落とすことが出来ます。
一部のセシウム、ヨウ素、ストロンチウム、アルゴン(全て原子の名前) は、RADIONUCLIDE と綴
るくらいの時間ではなくなりません。
メルトダウンとは曖昧な表現であり、ジルコニウム合金が損壊することは燃料損壊(fuel failure) と
いった方が正確です。これは高圧、高濃度の酸素、高温のいずれかが原因で起こります。
放射性物質を含む水蒸気はフィルターや洗浄器を通して放出されています。
ジルコニウム合金の管は燃料被覆管(fuel cladding) と呼ばれるものです。
容器の中には空気がなく、窒素で満たされています。
ホウ酸は確かにヨウ素を捉えられますが、主な機能は炉の停止です。
他、多数の削除箇所あり。つまり、この文章はそのままMIT 公式として出すことの出来ない文章だったということでしょう。ただ、それでも爆発したあとも安全設備に影響はないとの記述があります(ただ、それは2 号機の爆発前の記述であることに注意してください)。
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The plants at Fukushima are Boiling Water Reactors (BWR for short). A BWR produces electricity by boiling water, and spinning a a turbine with that steam. The nuclear fuel heats water, the water boils and creates steam, the steam then drives turbines that create the electricity, and the steam is then cooled and condensed back to water, and the water returns to be heated by the nuclear fuel. The reactor operates at about 285 °C.
The nuclear fuel is uranium oxide. Uranium oxide is a ceramic with a very high melting point of about 2800 °C. The fuel is manufactured in pellets (cylinders that are about 1 cm tall and 1 com in diameter). These pellets are then put into a long tube made of Zircaloy (an alloy of zirconium) with a failure temperature of 1200 °C (caused by the auto-catalytic oxidation of water), and sealed tight. This tube is called a fuel rod. These fuel rods are then put together to form assemblies, of which several hundred make up the reactor core.
The core is then placed in the pressure vessel. The pressure vessel is a thick steel vessel that operates at a pressure of about 7 MPa (~1000 psi), and is designed to withstand the high pressures that may occur during an accident. The pressure vessel is the third barrier to radioactive material release.
The entire primary loop of the nuclear reactor – the pressure vessel, pipes, and pumps that contain the coolant (water) – are housed in the containment structure. This structure is the fourth barrier to radioactive material release. The containment structure is a hermetically (air tight) sealed, very thick structure made of steel and concrete. This structure is designed, built and tested for one single purpose: To contain, indefinitely, a complete core meltdown. To aid in this purpose, a large, thick concrete structure is poured around the containment structure and is referred to as the secondary containment.
Both the main containment structure and the secondary containment structure are housed in the reactor building. The reactor building is an outer shell that is supposed to keep the weather out, but nothing in. (this is the part that was damaged in the explosions, but more to that later).
Fundamentals of nuclear reactions
The uranium fuel generates heat by neutron-induced nuclear fission. Uranium atoms are split into lighter atoms (aka fission products). This process generates heat and more neutrons (one of the particles that forms an atom). When one of these neutrons hits another uranium atom, that atom can split, generating more neutrons and so on. That is called the nuclear chain reaction. During normal, full-power operation, the neutron population in a core is stable (remains the same) and the reactor is in a critical state.
It is worth mentioning at this point that the nuclear fuel in a reactor can never cause a nuclear explosion like a nuclear bomb. At Chernobyl, the explosion was caused by excessive pressure buildup, hydrogen explosion and rupture of all structures, propelling molten core material into the environment. Note that Chernobyl did not have a containment structure as a barrier to the environment. Why that did not and will not happen in Japan, is discussed further below.
In order to control the nuclear chain reaction, the reactor operators use control rods. The control rods are made of boron which absorbs neutrons. During normal operation in a BWR, the control rods are used to maintain the chain reaction at a critical state. The control rods are also used to shut the reactor down from 100% power to about 7% power (residual or decay heat).
The residual heat is caused from the radioactive decay of fission products. Radioactive decay is the process by which the fission products stabilize themselves by emitting energy in the form of small particles (alpha, beta, gamma, neutron, etc.). There is a multitude of fission products that are produced in a reactor, including cesium and iodine. This residual heat decreases over time after the reactor is shutdown, and must be removed by cooling systems to prevent the fuel rod from overheating and failing as a barrier to radioactive release. Maintaining enough cooling to remove the decay heat in the reactor is the main challenge in the affected reactors in Japan right now.
It is important to note that many of these fission products decay (produce heat) extremely quickly, and become harmless by the time you spell “R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-E.” Others decay more slowly, like some cesium, iodine, strontium, and argon.
What happened at Fukushima (as of March 12, 2011)
The following is a summary of the main facts. The earthquake that hit Japan was several times more powerful than the worst earthquake the nuclear power plant was built for (the Richter scale works logarithmically; for example the difference between an 8.2 and the 8.9 that happened is 5 times, not 0.7).When the earthquake hit, the nuclear reactors all automatically shutdown. Within seconds after the earthquake started, the control rods had been inserted into the core and the nuclear chain reaction stopped. At this point, the cooling system has to carry away the residual heat, about 7% of the full power heat load under normal operating conditions.
The earthquake destroyed the external power supply of the nuclear reactor. This is a challenging accident for a nuclear power plant, and is referred to as a “loss of offsite power.” The reactor and its backup systems are designed to handle this type of accident by including backup power systems to keep the coolant pumps working. Furthermore, since the power plant had been shut down, it cannot produce any electricity by itself.
For the first hour, the first set of multiple emergency diesel power generators started and provided the electricity that was needed. However, when the tsunami arrived (a very rare and larger than anticipated tsunami) it flooded the diesel generators, causing them to fail.
One of the fundamental tenets of nuclear power plant design is “Defense in Depth.” This approach leads engineers to design a plant that can withstand severe catastrophes, even when several systems fail. A large tsunami that disables all the diesel generators at once is such a scenario, but the tsunami of March 11th was beyond all expectations. To mitigate such an event, engineers designed an extra line of defense by putting everything into the containment structure (see above), that is designed to contain everything inside the structure.
When the diesel generators failed after the tsunami, the reactor operators switched to emergency battery power. The batteries were designed as one of the backup systems to provide power for cooling the core for 8 hours. And they did.
After 8 hours, the batteries ran out, and the residual heat could not be carried away any more. At this point the plant operators begin to follow emergency procedures that are in place for a “loss of cooling event.” These are procedural steps following the “Depth in Defense” approach. All of this, however shocking it seems to us, is part of the day-to-day training you go through as an operator.
At this time people started talking about the possibility of core meltdown, because if cooling cannot be restored, the core will eventually melt (after several days), and will likely be contained in the containment. Note that the term “meltdown” has a vague definition. “Fuel failure” is a better term to describe the failure of the fuel rod barrier (Zircaloy). This will occur before the fuel melts, and results from mechanical, chemical, or thermal failures (too much pressure, too much oxidation, or too hot).
However, melting was a long ways from happening and at this time, the primary goal was to manage the core while it was heating up, while ensuring that the fuel cladding remain intact and operational for as long as possible.
Because cooling the core is a priority, the reactor has a number of independent and diverse cooling systems (the reactor water cleanup system, the decay heat removal, the reactor core isolating cooling, the standby liquid cooling system, and others that make up the emergency core cooling system). Which one(s) failed when or did not fail is not clear at this point in time.
Since the operators lost most of their cooling capabilities due to the loss of power, they had to use whatever cooling system capacity they had to get rid of as much heat as possible. But as long as the heat production exceeds the heat removal capacity, the pressure starts increasing as more water boils into steam. The priority now is to maintain the integrity of the fuel rods by keeping the temperature below 1200°C, as well as keeping the pressure at a manageable level. In order to maintain the pressure of the system at a manageable level, steam (and other gases present in the reactor) have to be released from time to time. This process is important during an accident so the pressure does not exceed what the components can handle, so the reactor pressure vessel and the containment structure are designed with several pressure relief valves. So to protect the integrity of the vessel and containment, the operators started venting steam from time to time to control the pressure.
As mentioned previously, steam and other gases are vented. Some of these gases are radioactive fission products, but they exist in small quantities. Therefore, when the operators started venting the system, some radioactive gases were released to the environment in a controlled manner (ie in small quantities through filters and scrubbers). While some of these gases are radioactive, they did not pose a significant risk to public safety to even the workers on site. This procedure is justified as its consequences are very low, especially when compared to the potential consequences of not venting and risking the containment structures’ integrity.
During this time, mobile generators were transported to the site and some power was restored. However, more water was boiling off and being vented than was being added to the reactor, thus decreasing the cooling ability of the remaining cooling systems. At some stage during this venting process, the water level may have dropped below the top of the fuel rods. Regardless, the temperature of some of the fuel rod cladding exceeded 1200 °C, initiating a reaction between the Zircaloy and water. This oxidizing reaction produces hydrogen gas, which mixes with the gas-steam mixture being vented. This is a known and anticipated process, but the amount of hydrogen gas produced was unknown because the operators didn’t know the exact temperature of the fuel rods or the water level. Since hydrogen gas is extremely combustible, when enough hydrogen gas is mixed with air, it reacts with oxygen. If there is enough hydrogen gas, it will react rapidly, producing an explosion. At some point during the venting process enough hydrogen gas built up inside the containment (there is no air in the containment), so when it was vented to the air an explosion occurred. The explosion took place outside of the containment, but inside and around the reactor building (which has no safety function). Note that a subsequent and similar explosion occurred at the Unit 3 reactor. This explosion destroyed the top and some of the sides of the reactor building, but did not damage the containment structure or the pressure vessel. While this was not an anticipated event, it happened outside the containment and did not pose a risk to the plant’s safety structures.
Since the reactor’s cooling capability was limited, and the water inventory in the reactor was decreasing, engineers decided to inject sea water (mixed with boric acid – a neutron absorber) to ensure the rods remain covered with water. Although the reactor had been shut down, boric acid is added as a conservative measure to ensure the reactor stays shut down. Boric acid is also capable of trapping some of the remaining iodine in the water so that it cannot escape, however this trapping is not the primary function of the boric acid.
The water used in the cooling system is purified, demineralized water. The reason to use pure water is to limit the corrosion potential of the coolant water during normal operation. Injecting seawater will require more cleanup after the event, but provided cooling at the time.
This process decreased the temperature of the fuel rods to a non-damaging level. Because the reactor had been shut down a long time ago, the decay heat had decreased to a significantly lower level, so the pressure in the plant stabilized, and venting was no longer required.
***UPDATE – 3/14 8:15 pm EST***
Units 1 and 3 are currently in a stable condition according to TEPCO press releases, but the extent of the fuel damage is unknown. That said, radiation levels at the Fukushima plant have fallen to 231 micro sieverts (23.1 millirem) as of 2:30 pm March 14th (local time).
***UPDATE – 3/14 10:55 pm EST***
The details about what happened at the Unit 2 reactor are still being determined. The post on what is happening at the Unit 2 reactor contains more up-to-date information. Radiation levels have increased, but to what level remains unknown.
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http://bravenewclimate.com/2011/03/12/japan-nuclear-earthquake/
Discussion Thread – Japanese nuclear reactors and the 11 March 2011 earthquake
Posted on 12 March 2011 by Barry Brook
Please use this Discussion Thread for the situation in Japan with respect to the Miyagiken-Oki earthquake (9.0 magnitude) and associated 10m tsunami, and its impact on the local nuclear reactors. Here is a précis of the situation as I understand it:
1. There is no credible risk of a serious accident. All reactors responded by insertion of control rods to shut down their nuclear reactions. Thus, power levels in all cases dropped quickly to about 5% of maximum output, and the nuclear chain reaction ceased (i.e., all units are subcritical).
Note: I judge the situation would currently be rated INES Level 4: Accident with local consequences on the international nuclear event scale. Update: This level has been confirmed by WNN (5:50 GMT).
2. The concern is providing emergency cooling water to the reactor cores to remove decay heat from the fuel rods. This residual heat comes from the fission products, and will be persistent, but diminishes rapidly over time (i.e., most decay heat occurs over minutes and hours, with cold shutdown within a few days).
3. At one plant, the 40-year old Fukushima Daiichi (unit #1 opened in 1971), the backup diesel generators supply power to the core cooling system failed (apparently due to damage from the tsunami). This allowed pressure to build up in at least one of the reactors cores to about 50% higher than normal (unit 1), and requires venting of very mildly radioactive steam (contains trace levels of tritium). Some discussion here.
4. The nuclear reactor containments were undamaged by the tsunami or earthquake — these structures are sealed from flooding damage and are seismically isolated.
5. New generators and batteries have been transported to the Daiichi site in to provide power to the pumps. The emergency core cooling systems (ECCS) have been invoked, which follows the principle of defense in depth (however, see point #8, below, and TEPCO updates).6. There are reports of partial exposure of the fuel at Daiichi unit #1, following coolant evaporation that, for a short time, exceeded inputs from the secondary cooling system. Such exposure can lead to some melting of the metal cladding (the ‘wrapping’ of the fuel rods), or the uranium rods themselves if the exposure is prolonged. This is what is technically referred to as a ‘meltdown’. I am still not clear if this exposure of the fuel assemblies actually happened (some evidence here), nor if any fuel underwent melt (due to decay heat, not a critical nuclear reaction).
7. The plant closest to the earthquake epicentre, Onagawa, stood up remarkably well, although there was a fire in a turbine building on site but not associated with the reactor operations, and therefore was not involved with any radioactive systems.
8. There has been an explosion at Fukushima Daiichi
at 16:30 JST (7:30 GMT) on March 12. Note: There is no critical nuclear reaction occurring in any of these reactors, and it CANNOT reinitiate as all neutron-absorbing control rods are grounded. As such, any at a plant site fire would be chemical (e.g., hydrogen) or steam pressure during venting (see point #3).
Quote from WNN on the explosion:
Television cameras trained on the plant captured a dramatic explosion surrounding Fukushima Daiichi 1 at around 6pm. Amid a visible pressure release and a cloud of dust it was not possible to immediately know the extent of any damage. Later television shots showed a naked steel frame remaining at the top of the reactor building. The external building structure does not act as the containment, which is an airtight engineered boundary within.
Chief cabinet secretary Yukio Edano appeared on television to clarify that the explosion had damaged the walls and roof of the reactor building but had not compromised the containment.
Monitoring of Fukushima Daiichi 1 had previously shown an increase in radiation levels detected near to the unit emerging via routes such as the exhaust stack and the discharge canal. These included caesium-137 and iodine-131, Nisa said, noting that levels began to decrease after some time.
Nevertheless the amount of radiation detected at the site boundary reached 500 microSieverts per hour – exceeding a regulatory limit and triggering another set of emergency precautions. It also meant the incident has been rated at Level 4 on the International Nuclear Event Scale (INES) – an ‘accident with local consequences’.
Note: The seawater might be used for spraying within the containment, for additional cooling, rather than injection into the reactor core. That is what comes of too much uncertainty and too little hard information.
Japan Chief Cabinet Secretary Yukio Edano, via Reuters:
We’ve confirmed that the reactor container was not damaged. The explosion didn’t occur inside the reactor container. As such there was no large amount of radiation leakage outside…(I will edit the above section and provide further updates below, as more information comes to hand)
Edano said due to the falling level of cooling water, hydrogen was generated and that leaked to the space between the building and the container and the explosion happened when the hydrogen mixed with oxygen there.
Some useful links for further information:
Battle to stabilise earthquake reactors (World Nuclear News)
Factbox – Experts comment on explosion at Japan nuclear plant (some excellent and informative quotes)
ANS Nuclear Cafe updates (useful news feed)
How to Cool a Nuclear Reactor (Scientific American interview with Scott Burnell from the NRC)
Nuclear Power Plants and Earthquakes (World Nuclear Association fact sheet)
Tokyo Electric Power Company updates here and here (the plant operators)
Capacity Factor: Some links on the Fukushima Daiichi #1 crisis (with updates)
This is a critical time for science, engineering and facts to trump hype, fear, uncertainty and doubt.
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Updates Below
International Atomic Energy Agency: Japan nuclear plants nearest earthquake safely shut down
TEPCO updates for Fukushima Daiichi (Plant #1) and Daini (Plant #2): 8 am, 13 March
[Nuclear Power Station]
Fukushima Daiichi Nuclear Power Station:
Units 1 to 3: shutdown due to earthquake
Units 4 to 6: outage due to regular inspection
* The national government has instructed evacuation for those local residents within 20km radius of the site periphery.
* The value of radioactive material (iodine, etc) is increasing according to the monitoring car at the site (outside of the site). One of the monitoring posts is also indicating higher than normal level.
* Since the amount of radiation at the boundary of the site exceeds the limits, we decide at 4:17PM, Mar 12 and we have reported and/or noticed the government agencies concerned to apply the clause 1 of the Article 15 of the Radiation Disaster Measure at 5PM, Mar 12.
* In addition, a vertical earthquake hit the site and big explosion has happened near the Unit 1 and smoke breaks out around 3:36PM, Mar 12th.
* We started injection of sea water into the reactor core of Unit 1 at 8:20PM, Mar 12 and then boric acid subsequently.
* High Pressure Coolant Injection System of Unit 3 automatically stopped. We endeavored to restart the Reactor Core Isolation Cooling System but failed. Also, we could not confirm the water inflow of Emergency Core Cooling System. As such, we decided at 5.10AM, Mar 12, and we reported and/or noticed the government agencies concerned to apply the clause 1 of the Article 15 of the Radiation Disaster Measure at 5:58AM, Mar 13.
In order to fully secure safety, we operated the vent valve to reduce the pressure of the reactor containment vessels (partial release of air containing radioactive materials) and completed the procedure at 8:41AM, Mar 13,
* We continue endeavoring to secure the safety that all we can do and monitoring the periphery.
Fukushima Daini Nuclear Power Station:
Units 1 to 4: shutdown due to earthquake
* The national government has instructed evacuation for those local residents within 10km radius of the periphery.
* At present, we have decided to prepare implementing measures to reduce the pressure of the reactor containment vessel (partial discharge of air containing radioactive materials) in order to fully secure safety. These measures are considered to be implemented in Units 1, 2 and 3 and accordingly, we have reported and/or noticed the government agencies concerned.
* Unit 3 has been stopped and being “nuclear reactor cooling hot stop” at 12:15PM.
* The operator trapped in the crane operating console of the exhaust stack was transferred to the ground at 5:13PM and confirmed the death at 5:17PM.
Kashiwazaki Kariwa Nuclear Power Station:
Units 1, 5, 6, 7: normal operation
Units 2 to 4: outage due to regular inspection
From Margaret Harding:
Heat from the nuclear fuel rods must be removed by water in a cooling system, but that requires power to run the pumps, align the valves in the pipes and run the instruments. The plant requires a continuous supply of electricity even after the reactor stops generating power.
With the steam-driven pump in operation, pressure valves on the reactor vessel would open automatically as pressure rose too high, or could be opened by operators. “It’s not like they have a breach; there’s no broken pipe venting steam,” said Margaret E. Harding, a nuclear safety consultant who managed a team at General Electric, the reactors’ designer, that analyzed pressure buildup in reactor containments.
“You’re getting pops of release valves for minutes, not hours, that take pressure back down”
IAEA alert log:
Japanese authorities have informed the IAEA’s Incident and Emergency Centre (IEC) that today’s earthquake and tsunami have cut the supply of off-site power to the Fukushima Daiichi nuclear power plant. In addition, diesel generators intended to provide back-up electricity to the plant’s cooling system were disabled by tsunami flooding, and efforts to restore the diesel generators are continuing.
At Fukushima Daiichi, officials have declared a nuclear emergency situation, and at the nearby Fukushima Daini nuclear power plant, officials have declared a heightened alert condition.
Japanese authorities say there has so far been no release of radiation from any of the nuclear power plants affected by today’s earthquake and aftershocks.Tsunamis and nuclear power plants:
Large undersea earthquakes often cause tsunamis – pressure waves which travel very rapidly across oceans and become massive waves over ten metres high when they reach shallow water, then washing well inland. The December 2004 tsunamis following a magnitude 9 earthquake in Indonesia reached the west coast of India and affected the Kalpakkam nuclear power plant near Madras/Chennai. When very abnormal water levels were detected in the cooling water intake, the plant shut down automatically. It was restarted six days later.
Even for a nuclear plant situated very close to sea level, the robust sealed containment structure around the reactor itself would prevent any damage to the nuclear part from a tsunami, though other parts of the plant might be damaged. No radiological hazard would be likely.World Nuclear News updates (updated 11:44 pm GMT):
Attention is focused on the Fukushima Daiichi and Daini nuclear power plants as Japan struggles to cope in the aftermath of its worst earthquake in recorded history. An explosion on site did not damage containment. Sea water injection continues after a tsunami warning.Pressure and releases
Three of Fukushima Daiichi’s six reactors were in operation when yesterday’s quake hit, at which point they shut down automatically and commenced removal of residual heat with the help of emergency diesel generators. These suddenly stopped about an hour later, and this has been put down to tsunami flooding by the International Atomic Energy Agency (IAEA).
The loss of the diesels led the plant owners Tokyo Electric Power Company (Tepco) to immediately notify the government of a technical emergency situation, which allows officials to take additional precautionary measures.
For many hours the primary focus of work at the site was to connect enough portable power modules to fully replace the diesels and enable the full operation of cooling systems.
Without enough power for cooling systems, decay heat from the reactor cores of units 1, 2 and 3 has gradually reduced coolant water levels through evaporation. The consequent increase in pressure in the coolant circuit can be managed via pressure release valves. However, this leads to an increase in pressure within the reactor building containment. Tepco has said that the pressure within the containment of Fukushima Daiichi 1 has reached around 840 kPa, compared to reference levels of 400 kPa.Explosion
The company has decided to manage this “for those units that cannot confirm certain levels of water injection” by means of a controlled release of air and water vapour to the atmosphere. Because this water has been through the reactor core, this would inevitably mean a certain release of radiation. The IAEA said this would be filtered to retain radiation within the containment. Tepco has confirmed it was in the process of relieving pressure at unit 1 while preparing to do the same for units 2 and 3.
Television cameras trained on the plant captured a dramatic explosion surrounding unit 1 at around 6pm. Amid a visible pressure release and a cloud of dust it was not possible to immediately know the extent of any damage. Later television shots showed a naked steel frame remaining at the top of the reactor building. The external building structure does not act as the containment, which is an airtight engineered boundary within.
Chief cabinet secretary Yukio Edano appeared on television to clarify that the explosion had damaged the walls and roof of the reactor building but had not compromised the containment.
Monitoring of Fukushima Daiichi 1 had previously shown an increase in radiation levels detected emerging from the plant via routes such as the exhaust stack and the discharge canal. Tepco have said that the amount of radioactive material such as iodine it is detecting have been increasing. The amount of radiation at the site boundary now exceeds a regulatory limit triggering another set of emergency precautions. It also meant the incident has been rated at Level 4 on the International Nuclear Event Scale (INES) – an ‘accident with local consequences’.
To protect the public from potential health effects of radioactive isotopes of iodine that could potentially be released, authorities are preparing to distribute tablets of non-radioactive potassium-iodide. This is quickly taken up by the body and its presence prevents the take-up of iodine should people be exposed to it.
Over the last several hours evacuation orders for local residents have been incrementally increased and now cover people living within 20 kilometres of the power plant.
Seawater injection
The injection of seawater into the building started at 8.20pm and this is planned to be followed by addition of boric acid, which is used to inhibit nuclear reactions. Tepco had to put the operation on hold for a time when another tsunami was predicted, but work recommenced after the all-clear.
Raised temperatures
Meanwhile at adjacent Fukushima Daini, where four reactors have been shut down safely since the earthquake hit, Tepco has notified government of another emergency status.
Unit 1′s reactor core isolation cooling system had been operating normally, and this was later supplemented by a separate make-up water condensate system. However, the latter was lost at 5.32am local time when its suppression chamber reached 100ºC. This led Tepco to notify government of another technical emergency situation.
Tepco has announced it has decided to prepare for controlled releases to ease pressure in the containments of all four units at Fukushima Daini.
A three kilometre evacuation is in progress, with residents in a zone out to ten kilometres given notice of potential expansion.
Workers
A seriously injured worker was trapped within Fukushima Daiichi unit 1 in the crane operating console of the exhaust stack and is now confirmed to have died. Four workers were injured by the explosion at the same reactor and have been taken to hospital. A contractor was found unconscious and taken to hospital.
Two workers of a ‘cooperative firm’ were injured, said Tepco; one with a broken bone.
At Fukushima Daiini unit 3 one worker received a radiation dose of 106 mSv. This is comparable to levels deemed acceptable in emergency situations by some national nuclear safety regulators.
The whereabout of two Tepco workers remains unknown.
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http://bravenewclimate.files.wordpress.com/2011/03/fukushima_explained_japanese_translationv3.pdf
福島原発事故-簡潔で正確な解説
2011/3/13 Barry Brook 投稿(http://bit.ly/gc9jeH)
2011/3/14 山中翔太訳。この記事はBarry Brook 様のご厚意により日本語に訳させていただきました。
誤訳情報はtwitter のアカウント(@shotayam) へ。意訳しており多少原文と意味が違うところがあります
のでご注意を。目に余るミスがある場合ご連絡を。
ここ数日、あまりにも原発報道が加熱しているところがあると感じており、専門的で客観的な意見が欠如していたように感じます。そのときRT で流れて来た記事がこれでした。この記事は専門的な知識を使い解説していてかなり長い文章ですが、かなりわかりやすく読みやすい文章です(訳が下手なのは本当に申し訳ないです)。これをきっかけに、数名でもいいので、宮城で起こっていることに関して少しでも安心して様子を見ていただければと思います。
意外と安全ですよ。不安に感じるのは知らないだけだと思います、本当に。
3/14 23:00 追加
ちょっと勢いが出てきたので補足を。
僕は航空宇宙工学科の学生であり、原子力関係の知識は大学教養レベルしかありません。つまり素人です。よってBrook 氏の意見も正しいかどうか僕にはわかりません。ただ、僕は日本では聞いたことのない一つの専門家の意見として、Brook 氏の発言は素晴らしいと思い、訳してみた次第です。どうか信じ込むことはやめてください、僕としても情報を一から十まで保証出来ません。ただ訳しているだけであり、誤訳もあるかもしれません。
ただ、一専門家の意見としてはテレビで聞けない意見だと思うので、「参考程度」という気持ちで読んで頂ければと思います。
3/14 15:00 追加
今回は様々なご意見/情報/励ましの言葉を頂きました。一つ一つに返信出来ず申し訳御座いません。特に@tomokazutomokaz 様には多数のご指摘を賜りました。全ての方々に心から感謝致します。皆様からのご指摘に加え、他の訳文等を考慮しまして新しいバージョンを作成致しました。これはtwitter でコメントを頂かなければ作成出来なかったバージョンで御座います、コメントを送って頂いた方に深く感謝致します。
最後に、夜深い時間誤訳訂正・相談の電話に応じてくれ、最も参考になる意見をくれた留学中の友人に深く感謝申し上げます。有難う御座います。
内容に関して新規追加・更新内容には「[ ]」をつけています。
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注:この記事は3/12 日時点、４日以上前のもので、当時と現在の状況は異なっています。この記事で説明されていない事態も起こっています。元記事の訂正版も出ています(このpdf の最後にまとめあり。必ず読んでください)。
ただ、原子力発電所の構造、その他一般基礎知識に関する説明は現在でも役に立つのではと考え、また、前バージョンの誤訳の訂正のため、更新致しました。
IAEA やWNN 等信頼が置ける情報によると、現在福島原発の状況についてインターネットやメディアでは信じられない量の誤った情報が流れているようです。BNC の記事"Discussion Thread - Japanese nuclear eactors and the 11 March 2011 earthquake"とそのコメントでは多くの技術的に詳細な状況が提供されています。しかし、その要旨とは？どのようにして多くの人が今起こっていること、その理由、そして今から起こることについて情報を得るのでしょうか。
以下に私はMIT research scientist のDr Josef Oehmen による状況の要約を再掲します。彼は博士であり、彼の父はドイツの核工業で多くの経験を積んでいます。これはJason Morgan により今宵はじめ(現地時間) に投稿されたもの(http://bit.ly/gUN6WX) であり、彼はここの再掲を快く了承してくれました。この情報が広く共有されることが重要だと私は考えています。
こちらを読むこともお忘れなく。今ほど役にたつときはありません。http://bit.ly/gqBKB8
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私はこの文章を3/12(現地時間) に書いており、日本の事故に関して安心してもらおうと思っています。まず、状況は深刻ですが、管理下にあります。そしてこの文章は長いです。しかしこの文章を読んだ後、あなたは全てのメディア記者よりも原子力発電所について理解することとなるでしょう。
重大な放射能の放出は、今までもありませんし、これからも「ありません」。
「重大な」とは、長距離の飛行や、元々の放射線レベルが高い地域で作られたビールを飲むことで受ける放射線より被曝量が多いことをいいます。
私自身地震がおきてから全てのニュースを読んでいます。しかし、今まで一つとして正確で誤りのないレポートはありませんでした(この問題の一部は日本危機通信の弱点の一部でもありましょう)。「誤りのないものがない」とは偏った非核報道(最近は極普通ですが) をさしているのではありません。「誤りのないものがない」というのは物理や自然法則に関する目に余る間違いであり、原発の建てられ方と制御方法についての基本的な理解の欠如による事実の大きな誤解でもあります。
私はCNN の3 ページにわたるレポートを読みましたが、その一つ一つの段落にはそれぞれ間違いが含まれていました。
今何が起こっているかを説明する前に、少し基礎をさらいましょう。
■福島原発の構造について福島の原発はBoiling Water Reactor(BWR) とよばれるもので、圧力鍋のようなものです。核燃料が水を熱し、水は蒸気をつくり、蒸気はタービンを回し電気を作り、そして蒸気は冷やされ凝縮し水にもどり、水は戻されてまた核燃料により熱せられます。圧力鍋は約250 度で動きます。
核燃料とは酸化ウランです。酸化ウランとはセラミックであり、3000 度というかなり高い融点をもちます。
燃料はペレット(レゴブロックの小さい円柱っぽいもの) 状に成形されます。これらはジルコニウム合金(融点2200 度) で作られた長い管に詰められ密閉されます。これを燃料棒といいます。この燃料棒は束ねられて、より大きなパッケージとなり、そのパッケージがいくつも反応炉に入れられます。これらを総称してコアと呼びます。
ジルコニウム合金のケースは最初の容器です。これで他の空間から放射性燃料を分離します。
コアは圧力容器に入れられます。これが前述の圧力鍋です。圧力容器は二番目の容器です。これは頑丈な鍋の様なもので、数百度のコアを安全に格納できるよう設計されています。[ある時点で冷却装置が回復する場合、この容器が役に立ちます。]
核反応炉の周辺器具含めた全て|圧力容器や全てのパイプ、ポンプ、冷却剤(水) 装置は三番目の容器に格納されます。この三番目の容器は密閉されており、最強の鉄で作られたとても厚いドームとなっています。三番目の容器はある一つの目的のために設計、建設、試験されています。完全な[コア] のメルトダウンを[制限時間無く無期限に] 内部で受け止めるという目的です。この目的のため、大きく厚いコンクリートの受け皿が圧力容器(二番目の容器) の下に位置し、黒鉛で充たされて[三番目の容器に収められています。] これがいわゆるコアキャッチゃーです。コアが溶け圧力容器が爆発し(最終的に溶け) ても、これが溶けた燃料諸々を捕えられます。核燃料は(訳注:おそらく容器内で) 拡散するように作られており、燃料を冷やすことが出来ます。
この三番目の容器は格納建屋に収められます。建屋は雨避けのようなものです(これが爆発で損傷した部分ですが、詳細は後述します)。
■核反応の基礎ウラン燃料は熱を核分裂で生み出します。大きなウラン原子が小さい原子に分裂します。このとき熱に加え中性子(原子を構成する粒子の一つ) を生み出します。中性子が別のウラン原子にぶつかるとウラン原子は分裂し、より多くの中性子を出し続けます。これが核連鎖反応と呼ばれるものです。
ところで、ただ多くの燃料棒を隣り合わせて詰めるだけでは速やかに過度の熱が発生し45 分後には燃料棒が溶けてしまいます。ここで重要なのは、反応炉の核燃料は「決して核爆弾のような核爆発を起こすことはない」ことです。核爆弾を作るのは実際とても難しいのです(イランに聞いてみてください)。チェルノブイリの爆発では、過度の圧力上昇、水素爆発そして全ての容器の破裂、溶けた核物質の外界への放出が発生しました("dirty bomb"です)。なぜこれが日本では起こらないのでしょうか。下で説明します。
核連鎖反応を制御するため、反応炉オペレーターは制御棒を使います。制御棒は中性子を吸収し、即座に連鎖反応を止めます。この操作が出来るよう核反応炉は設計されており、通常であれば全ての制御棒は引き抜かれています。そのとき冷却剤である水は熱を持ち去り(そして蒸気や電気を作ります) 同じ速度で核は熱を生み出します。250 度の通常運転ではたくさんのゆとりがあるのです。
問題は、制御棒を入れて連鎖反応を[止めた] 後にも、コアが熱を生みだしつづけることです。ウランは連鎖反応を止めます。ただ大量の放射性中間生成物が核分裂反応中ウランにより生成されます。最も重要なのはセシウムとヨウ素の同位体、つまり、放射能を持つものであり、これらは最終的に分裂し、小さくて放射能を持たない原子に変わります。このような中間放射性生成物が崩壊し続け熱を生みつづけます。この物質は最早ウランから生成されることがないので(ウランは制御棒を入れた後崩壊を止めます)、この中間物質はどんどん減ってゆき、数日かけて使い果たされると核は冷温停止します。
この残った熱が頭痛の種です。
まとめると、放射性物質の最初の「種類」は燃料棒の中にあるウランであり、加えてウランが分裂して生じる放射性の中間生成物も燃料棒の中にあります(セシウムやヨウ素です)。
燃料棒の外に、二番目の放射性物質が存在します。[この物質は最初の種類と大きく異なります]:この放射性物質はとても短い半減期を持っています。つまり、これらの物質はとても早く崩壊し、放射能のない通常の物質に分裂します。早くとは数秒ということです。つまり、もしこれらの放射性物質が外界に放出されても、そう、放射性物質が放出されてもです、危険ではありません、全くです。なぜでしょう。"RADIONUCLIDE"(放射性核種) と[綴っている] 間に、もうそれらは無害になっています。放射能のない物質に分解してしまうからです。この放射性物質とはN-16, 空気の窒素の放射性同位体です。他にはキセノンのような希ガスがあります。しかし、これらはどうしてできたのでしょうか。ウランが分裂すると中性子が出ます(上を見てください)。ほとんどの中性子は他のウランにあたり、核連鎖反応が続きます。しかし、いくつかは燃料棒を抜け水分子やその中にある[空気] に当ります。そして、放射能のない物質が中性子を吸収し放射能を持ちますが、上で述べたよう、この物質は速やかに(数秒以内に) 中性子を放出し、元の綺麗な物質に戻ります。
この二番目の「種類」の放射性物質が、外界に放出された放射能に関してとても重要です。
■福島で起きていること主要な事実を纏めたいと思います。日本で起こった地震は原発が想定した最悪な地震の16 倍です(リクタースケールは対数スケールであり、想定された8.2 と起こった9.0 は16 倍であり、0.8ではありません)。よって全てがもったという事実は、まず日本工学技術の賞賛に値するところです。
M9.0 の地震が起こったとき、全ての核反応炉は自動停止しました。地震が始まって数秒以内に制御棒はコアに入れられ、ウランの核連鎖反応は止められました。今、冷却システムが残った熱を取り去らなければなりません。余熱の負荷は通常運転の３％程度です。
地震で核反応炉の外部電力供給が止まりました。これは原発にとって最も深刻な事故であり、原発の停電はバックアップ設計時にかなり考慮されています。電力は冷却剤ポンプを動かし続けるために必要です。原発は停止したので、自力で電気を作り出せません。
一時間ほど事態はうまく進みました。複数ある非常用ディーゼル発電機の内の一つが稼働し、必要な電力を供給しました。そして津波が来ました。原発を建てたとき人々が予想だにしなかった大きさのものです(上述、16 倍)。津波は複数あった全てのディーゼル発電機をさらっていきました。
原子力発電所を設計するとき、技術者は多重防御たる哲学に従います。つまり、まず想像できる範囲でもっとも壊滅的な被害に耐えられるよう設計し、その被害に加えてありえないようなシステムの故障が起こったときもまだ制御が可能なように発電所を設計します。津波が全てのバックアップ電力システムを一度に持っていく、というのがこのありえないと思われることです。最終防御線は全てを三番目の容器の中(上述) に閉じ込めることです。この容器は、制御棒が入っても入っていなくても、コアが溶けても溶けなくても、全てを反応炉の中に保持します。
ディーゼル発電機が流されたとき、反応炉オペレーターは緊急バッテリー電源に切り替えました。バッテリーはコアを８時間冷やす電力を供給する、バックアップのためのバックアップの一つとして設計されました。そしてそれは確かに稼働しました。
[８時間以内に別の電源を見つけ原発に繋がれなければなりません。] 配電網は地震のため使用出来ませんでした。ディーゼル発電機は津波により壊されました。よって可搬性のディーゼル発電機が運び込まれたのです。
ここから事態が悪くなりました。外部発電機を原発につなげられなかったのです(プラグが合いませんでした)。よってバッテリーが使い切られたあと、残りの熱をもう取り除けなくなりました。
ここでオペレーターが冷却不可能たる緊急時の手順に従い始めます。再度、多重防御に従った手順です。[冷却システムの電源が完全に落ちるなんてありえませんが、今回は落ちました。] よって彼らは次の防御線へ後退しました。私たちにとっては衝撃的ですが、この全てはコアのメルトダウン対処まで想定された日々のトレーニングでオペレータが行っている作業の一部です。
コアのメルトダウンの話が出始めたのはこの段階です。[冷却装置を修理出来なければ、最終的に] コアが溶けてしまい(数時間、数日後)、最後の防衛線(コアキャッチャーと三番目の容器) が役割を果たさなければならない状況でした。
しかしこの段階のゴールは温度が上がりつつあるコアを制御することであり、最初の容器(核燃料を入れるジルコニウム合金管) を維持することであり、また二番目の容器(圧力鍋) を[できるだけ無傷で操作可能な状態に持つことであり、技術者に冷却装置を直す十分な時間を与えることでした]。
コアの冷却はこの様に[重要] なことなので、反応炉には複数の冷却装置が備えられ、そのそれぞれが[複数種の装置] を持ちます(反応炉冷却水浄化システム、反応熱除去装置、反応炉コア隔離時冷却装置、代替液体冷却システム、緊急コア冷却システム)。これらの状態については明らかでありません。
では、[コンロ] の上の圧力鍋を想像しましょう。弱火ですが、火はついています。オペレーターはできる限り熱を取り除くため冷却システムの機能を何でも使います、しかし圧力が高くなり始めました。こうなると最優先事項は、二番目の容器(圧力鍋) もですが、最初の容器を保つことです(2200 度以下に温度を抑えることです)。圧力鍋(二番目の容器) の健全性を保つために圧力を時々抜かなければなりません。緊急事態に減圧する能力は重要なので、反応炉には11 個の圧力開放バルブがついています。そこでオペレーターは圧力を制御するため蒸気を時々逃し始めました。温度はこの時点で約550 度でした。
このとき、放射線漏れの報告が入り始めました。蒸気を逃すことが理論的に放射能を外界に逃すことを意味し、また[何故それは危険でない] のか、は既に説明できたと思います。希ガス同様放射性窒素は人の健康の脅威にはならないのです。
この蒸気開放におけるある段階で、爆発は起きました。爆発は三番目の容器の外で起きました(私たちがいう「最後の防衛線」の「外」です)。建屋です。建屋が放射線防御に関してなにも役割を果たしていないことを思い出してください。何が起こったのかまだ完全に明らかにはなっていませんが、これがありえそうなシナリオでしょう:オペレーターは蒸気を圧力容器の外へ、直接外界にではなく建屋と三番目の容器の間に、開放することを決めました。蒸気中の放射性物質が崩壊するのに十分な時間を与えるためです。問題はこのときコアが達していた高い温度でした。このとき水分子は酸素と水素に分解します|爆発性の混合気です。そしてこれが三番目の容器の外で爆発し、建屋が損傷しました。爆発は以上のようなもので、(下手に設計されオペレーターにより適切に制御されなかった) チェルノブイリの爆発のような圧力容器の中ではありません。チェルノブイリの危険性は福島には絶対にありません。水素-酸素生成の問題は発電所を設計するにあたり重要な問題です(ソ連でない限り)、よって反応炉は水素爆発が容器の中で起こらないよう建てられ操作されます。爆発は外で起きました。それは意図したものではありませんが、想定の範囲内であり問題ありません。なぜならば爆発により容器にリスクが生じることはないからです。
そして圧力は管理下に置かれ、[蒸気] は開放されました。さて、もし鍋を熱し続けるなら、問題は水位がどんどん下がることです。コアは露出するまで数時間、数日かかるよう数メートルの水で被われています。一旦燃料棒の頭が出ると、45 分で露出した部分は2200 度の融点に達します。これが最初の容器、ジルコニウム合金管が壊れるときです。
そしてこれが現実になり始めました。冷却機能が復活する前に幾らかの(かなり限られたものだが、あることにはある) ダメージをいくつかの燃料棒が受けました。核物質それ事態はまだ傷ついていませんが、まわりのジルコニウム合金管は溶け始めました。このとき、ウラン崩壊の副生成物(放射性のセシウムやヨウ素) が少し蒸気に混ざり始めました。酸化ウランの棒は3000 度に達しない限り問題ないので、大きな問題(ウラン)は依然制御下にあります。かなり微量なセシウムとヨウ素が大気中に放出された蒸気中で観測されたことも確認されています。
これがプランB への"go"だったようです。観測された少量のセシウムで、オペレーターは最初の容器のどこかが壊れそうだということを察知しました。プランA はコアを通常の冷却システムで冷却するものでした。
[何故これが失敗したのかは明らかではありません。] 一つのもっともらしい説明は、津波が通常の冷却システムに必要な精製水をさらったか汚染したか、ということでしょう。
冷却システムで使われる水はとても綺麗で、ミネラルが除かれ(蒸留水のようなもの) ています。純水を使うのは、ウランの中性子による上述のような反応があるからです: 純水はそこまで激しい反応を起こさないので、実質放射能をもつことが出来ません。汚れた水、若しくは塩水は中性子を素早く吸収し、より放射能を持ちます。コアには影響がありません|それが何で冷やされるかは問題ではないのです。しかしオペレーターや機械工にとっては、少しだけ放射能を持った水を扱う作業は[大変困難なものになります]。
しかしプランA は失敗しました|冷却システムが機能しなかったか、精製水が切れてしまったのです|
よってプランB に移りました。以下は想像される事態の進展です:
コアのメルトダウンを避けるため、オペレーターはコアの冷却に海水を使い始めました。圧力鍋(二番目の容器) を海水で満た[したのか、] また三番目の容器を満た[して] 圧力鍋を水に浸[したのかは] 分かりません。
しかしそれは問題ではありません。
重要なのは核燃料が[冷やされていることです]。連鎖反応がかなり前に止まったので、今はただほんの僅かな余熱が作られているだけです。使われてきた大量の冷却水はその熱を取り除くのに十分です。大量の水があるので、深刻な圧力上昇を引き起こすだけの熱をコアはもう生み出すことが出来ません。また、ホウ酸が海水に加えられました。ホウ酸は「液体制御棒」です。どんな崩壊がいまだに進んでいても、ホウ素は中性子を捕まえ、コアの冷却を加速します。
発電所はコアのメルトダウンを起こしかけました。以下が既に避けられた最悪のケースです: もし海水が冷却に使えなかったら、オペレーターは圧力上昇を避けるため蒸気を開放し続けます。引き続き三番目の容器は完全に密閉され、コアのメルトダウンが起きても放射性物質は外に出られなくなります。メルトダウンの後、しばらく休止時間を設け、中間生成放射性物質を反応炉内で崩壊させ、全ての放射性粒子を容器内部表面に沈殿させます。冷却装置は最終的に回復し、メルトダウンしたコアは管理できる程度に冷却されます。容器は内部が洗浄されます。そして厄介な作業が始まります: 溶けたコアを容器から取り除き、既に固体に戻った燃料を少しずつ輸送容器につめ、処理場に輸送します。そして、損傷の具合によって、そのブロックは修理されるか廃炉となります。
■それでは、今からどうなるのでしょうか。
発電所はもう安全で、今からも安全でしょう。
日本はINES レベル4 の事故を経験しています。:近辺で収まる原子力事故です。それは発電所を所有する会社にとって悪いことですが、その他の誰にも損害はありません。
圧力を開放したとき、一部の放射線が放出されました。蒸気からの全ての放射性同位体は消えました(崩壊しました)。極僅かな量のセシウムが(ヨウ素と共に) 放出されました。放出の際もし煙突の上に座っていれば、元の生活に戻るために喫煙はやめた方がいいかもしれません。セシウムとヨウ素同位体は海に流れ、もう二度と現れません。
最初の容器に幾らかのダメージがあるようです。これはいくらかの放射性セシウムやヨウ素が冷却水の中に放出されることを意味しますが、ウランや他の危険な物質ではありません(酸化ウランは水に「溶けません」)。三番目の容器内部の冷却水を処理する機関もあります。放射性セシウムやヨウ素はそこで取り除かれ、最終的に放射性廃棄物として処理されることでしょう。
冷却水として使われる海水はある程度放射能を持つでしょう。制御棒が完全に入っているので、ウラン連鎖反応は起こっていません。これは主核反応が起こっていないということであり、これは現在の発熱反応に関与していないということです。ウラン崩壊反応がかなり前に停止しているので、中間放射性生成物(セシウムとヨウ素) もこの段階ではほとんど消えています。これは反応がさらに小さいことを意味しています。ボトムラインは、海水が低いレベルではありますが放射能を持っているということで、これも処理機関により取り除かれることでしょう。
そして海水は普通の冷却水に代わることでしょう。
反応炉のコアは廃棄され、処理機関に運ばれます。通常の運用と同じです。
燃料棒と全体としての発電所は潜在的な損傷を探すことになります。4,5 年かかるでしょう。
全ての日本の原発の安全システムは更新され、M9.0、またそれ以上の地震と津波に耐えられるようになるでしょう。
私が思うに、最も重要な問題は長引くであろう電力不足です。半分以上の日本の原子力反応炉が調査を受け、国の電力供給能力が15 % 落ちることになるでしょう。これは普段時々しか使わない火力発電所をフルに稼働することで補えるかもしれません。これにより潜在的な電力不足に加え、電気代の高騰が起こることでしょう。
もし情報が欲しいのなら、いつものメディアは忘れて以下のサイトを参考にしてください。
http://www.world-nuclear-news.org/RS_Battle_to_stabilise_earthquake_reactors_1203111.html
http://bravenewclimate.com/2011/03/12/japan-nuclear-earthquake/
http://ansnuclearcafe.org/2011/03/11/media-updates-on-nuclear-power-stations-in-japan/
注:この記事は3/12 日時点、つまり４日以上前のもので、当時と現在の状況は異なっています。この記事で説明されていない事態も起こっています。元記事の訂正版も出ています(このpdf の最後にまとめあり。必ず読んでください)。
3/14 11:00 追加。もう一度いうと、訳者は原子力に関して「素人」です。この情報の「正しさは判断で
きません」、ただ訳しているだけです。危険なことには変わりませんし、状況は刻一刻変わります。新しい情報を常に入れるよう、また別の専門家の意見も聞くようにした方がいいと思います。
3/16 追加。
参考にした訳:
http://blog.livedoor.jp/lunarmodule7/archives/2406950.html
http://loda.jp/vip2ch/?id=1284
http://yacchiman.blog65.fc2.com/blog-entry-198.html
参考になるであろう(した) サイト:
MIT 原子科学工学科の元記事訂正ページ: http://mitnse.com/
東京大学理学系研究科早野龍五教授（@hayano）、東大原子力系卒業生および有志協力チームによるページ:http://smc-japan.sakura.ne.jp/?p=752 私自身これを読んで安心しました。日本語で、更新されつづけており、専門知識を持った方が協力しているようです。
注意:元記事は3/12(「「４日も前です」」) にかかれたものであり、この文章が書かれた時期と現在の状況は異なります。つまり、この文章で「現在」と書かれていることは４日も前の状況であり、現在ではありません。しかし、この文章で得ることができる情報は、物事を「冷静に」評価するには今でも参考になると考えています。実際私自身、「危ないなぁ」とは思いますが、「何が起こっているんだ、怖い」とは思いません。今もう４日前の情報を更新することに反対する人がいらっしゃいますし、私もこれを見て「あぁ、じゃあ大丈夫か」と思ってもらうのは困ります。この文章で説明されていない事態が現在起こっています。しかし、その情報をこの情報と総合して考えることができれば、どこがどのように何故危ないのかは今でも、そしてこれからも(素人目で間違っているかもしれませんが) 解釈ができ、とりあえずパニックにならず済むでしょう(しかし、危険性は感じていた方がよいと思います)。その参考情報として、４日前の情報として、捉えてくださればというのが、訳者の私の願いです。
訂正版(3/13, 恐らくEST) では以下の点が訂正されています(見落としていたらすみません)。
反応炉は約285 度で運転されます(原文:圧力鍋が250 度で動く)。
酸化ウランの融点は約2800 度です(原文:3000 度)。
ペレットのレゴブロックくらいの大きさとは、直径高さ共に1cm 程度のことをいいます。
ジルコニウム合金は2200 度で溶けるのではなく、1200 度時点で水素と反応して溶けます。
ジルコニウム合金が最初の防御壁ではなく、ペレット自体放射能をもつ物質を保持することが出来ます。ジルコニウム合金は二番目の防御壁です。同様圧力容器が三番目、その外の容器(格納構造物"containment structure") が四番目になります。
圧力容器は通常7Mpa(大気圧の700 倍程度) で運転されます。
「コア・キャッチャー」はコアキャッチャーといわないようで、二番目のコンテナ("the secondary
container") と呼びます。原文では圧力容器のことを"second containment"と読んでいました。ま
た、この容器は四番目の容器(格納構造物) の周り(つまり外) に十分にあり、四番目のコンテナと同様の目的のために作られていますが、別物です。これも容器と共に建屋に収められます。
チェルノブイリでは四番目の容器(格納構造物) はありませんでした。
制御棒はホウ素で作られており、パワーを100% から7 % まで落とすことが出来ます。
一部のセシウム、ヨウ素、ストロンチウム、アルゴン(全て原子の名前) は、RADIONUCLIDE と綴
るくらいの時間ではなくなりません。
メルトダウンとは曖昧な表現であり、ジルコニウム合金が損壊することは燃料損壊(fuel failure) と
いった方が正確です。これは高圧、高濃度の酸素、高温のいずれかが原因で起こります。
放射性物質を含む水蒸気はフィルターや洗浄器を通して放出されています。
ジルコニウム合金の管は燃料被覆管(fuel cladding) と呼ばれるものです。
容器の中には空気がなく、窒素で満たされています。
ホウ酸は確かにヨウ素を捉えられますが、主な機能は炉の停止です。
他、多数の削除箇所あり。つまり、この文章はそのままMIT 公式として出すことの出来ない文章だったということでしょう。ただ、それでも爆発したあとも安全設備に影響はないとの記述があります(ただ、それは2 号機の爆発前の記述であることに注意してください)。
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