Jadernou havárii si většina lidí spojuje s Černobylem, který rozsahem a následky zastínil všechny ostatní. Méně známá je u nás nejzávažnější americká nehoda - poškození reaktoru druhého bloku atomové elektrárny Three Mile Island (TMI-2) v Pensylvánii z roku 1979. Nikdo při ní sice neutrpěl zranění, přesto událost otřásla západní společností. Výzkum tohoto případu, na kterém se podílí i čeští vědci, pokračuje dodnes.
K Černobylu je málo spolehlivých dat Přestože byl při havárii pensylvánské elektrárny únik radioaktivity do okolí téměř nulový, lidé živelně ujížděli z oblasti a prezident USA James Carter je dokonce svou osobní přítomností musel uklidňovat a nabádal uprchlíky k návratu domů. Napětí navíc umocnilo i to, že dvanáct dní před nehodou uvedla kina katastrofický thriller Čínský syndrom. V něm se Jane Fondová v roli novinářky marně pokouší upozornit úřady na hrozbu havárie reaktoru fiktivní elektrárny plné nezodpovědných zaměstnanců.
Co se ale ve skutečnosti v Three Mile Island stalo? Kvůli technické závadě ventilu v přívodu chladicí vody narostla v reaktoru teplota natolik, že roztavila polovinu jeho obsahu. „Nastala nebezpečná situace, protože v reaktoru vzniklo velké množství plynného vodíku a roztavené hmoty tvořené kovy a oxidy -takzvaného coria. Kdyby byla coriem protavena ocelová nádoba reaktoru a tavenina se dostala ven, mohla ve styku s okolními materiály reagovat výbušně,“ vysvětluje Václav Tyrpekl z Ústavu anorganické chemie Akademie věd hypotetické důsledky nehody.
„Ačkoli nehoda v Three Mile Island neměla vážné následky, psychologický efekt na americkou společnost byl obrovský,“ připomíná chemik Tyrpekl jeden z důvodů, proč od té doby vznikla řada organizací zabývajících se výzkumem nehod jaderných reaktorů. Případ pensylvánské elektrárny je díky tomu nejpopsanější nukleární havárií, dokonce více než černobylská tragédie. K ní totiž neexistuje dostatek relevantních a důvěryhodných informací.
Vědci proto testují obdobné fyzikální, chemické a technologické jevy na základě zkušeností s Three Mile Island. Evropská unie se k výzkumům připojila programem SARNET, v jehož rámci spolupracují i čeští vědci z Ústavu anorganické chemie AV ČR a Ústavu jaderného výzkumu v Řeži u Prahy. Zabývají se vlastnostmi coria při interakci s vodou a betonem, který tvoří třetí ochrannou bariéru jaderných elektráren.
Mocná síla páry Corium je směsí, která se v pevném stavu podobá ztuhlé lávě. Během nehody, jakou byla například havárie v Three Mile Island, vzniká hmota roztavením látek tvořících primární obsah reaktoru - například UO2 (původně z tablety jaderného paliva), ZrO2 (z oxidace zirkoniového obalu paliva), oxidů železa (původem konstrukční materiál) a také štěpných produktů jaderné reakce. V TMI-2 vzniklo padesát tun této látky, necelá polovina se sice dostala do interakce s vodou uvnitř reaktorové nádoby, ta ale byla naštěstí rychle ochlazena. Tyto podmínky nejsou vhodné k výbuchu. Vědci ale zkoumají okolnosti, za kterých může k této takzvané parní explozi dojít.
„Fenomén parní exploze lze zjednodušeně popsat tak, že přehřátá tavenina vnikne do vody a předá svou termální energii tekutině tak rychle, že vzniklá pára může v průběhu několika milisekund vyvinout tlak až 120 MPa, což je tolik, jako by na plochu o metru čtverečním působilo těleso o hmotnosti dvanáct tisíc tun,“ upřesňuje Tyrpekl. „Laboratorní experimenty je možné přirovnat k odlévání olova o vánočních svátcích, kdy také rychle vzniká velké množství páry. Při domácím lití stejně jako při pokusech v bezpečných a sofistikovaných laboratorních aparaturách směs samozřejmě explodovat nemůže. Ale tak, jako se předpovídá budoucnost z podoby ztuhlého olova, snažíme se z tvarů, složení a vlastností coria podat vysvětlení, proč mají některé roztavené látky při interakci s vodou větší tendenci vyvolat parní výbuch,“ dodává.
Vědcům se zatím nepodařilo parní explozi úplně vysvětlit. Existují fyzikální modely, které nejsou zcela přesné. Proces může být ale rozdělen do několika úseků. V prvním vnikne tavenina do vody a rozptýlí se do malých kapiček obalených vrstvou páry. Tento plynný film tvoří ochrannou bariéru a brání transferu tepla z kapek taveniny do okolní vody. Jestliže se izolační obal poruší, tavenina se roztříští. Kapky horké látky mají již natolik velký povrch, aby se teplo z taveniny do vody přeneslo rychle a efektivně. Parní exploze může nastat, pokud jsou příznivé všechny faktory: rychlost a preciznost fragmentace, tlak a teplota vody.
Poučení z vulkánů Předpokládá se, že jeden ze dvou největších výbuchů během havárie čtvrtého bloku černobylské elektrárny mohl být způsoben interakcí coria s vodou vně reaktoru. Kvůli nesrovnalostem mezi zprávami očitých svědků a záznamy z elektrárny však není možné případ přesně zrekonstruovat. Výzkum v oblasti jaderných technologií tak probíhá pouze v hypotetické rovině.
Reálně lze sledovat tento fenomén tam, kde se setkává roztavený materiál s chladicím médiem. V metalurgii by parní exploze mohla v případě nehody ohrozit dělníky továren. Výbuchy v přírodě se zabývá vulkanologie, ve velkém měřítku k nim totiž dochází při hroucení sopečných delt do moře, kdy se láva sune pod oceánskou hladinu.
Ačkoli jsou v přírodě parní exploze častým jevem, možnost závažné nehody v jaderné energetice je téměř nulová. Tyrpekl proto uklidňuje a zároveň zdůrazňuje: „Pravděpodobnost roztavení vsádky jaderného reaktoru připadá na jeden reaktor z deseti tisíc na rok provozu. Stejně malá je i možnost, že se corium dostane skrz ocelovou nádobu. Proto je výzkum především psychologickým ubezpečením, který naopak dokazuje kvalitu a bezpečnost současných technologií.“
***
Pokusy s olovem jako o Vánocích
Tak jako lidé na Štědrý den odlévají olovo, určují vědci z odlitků roztavených kovů okolnosti, za nichž se během několika milisekund uvolňuje velké množství páry a hrozí exploze. K pokusům je inspirovala nehoda v americké jaderné elektrárně Three Mile Island v roce 1979. Parní výbuch tehdy nenastal, protože rozžhavený obsah reaktoru - tekutá směs coria - neprotavil jeho stěny, a nemohl tak reagovat s okolními materiály.
Vychladlé corium se podobá ztuhlé lávě. Roztavené ale může během kontaktu s vodou explodovat. Mikrofotografie pevného stavu byla pořízená elektronovým mikroskopem.
Jaderná elektrárna Three Mile Island, ležící nedaleko pensylvánského Harrisburgu, v níž byl 28. března 1979 částečně roztaven jeden z reaktorů
