NUKLEÁRIS BALESET TOKAI MURÁBAN

Aszódi Attila, Sükösd Csaba, Szatmáry Zoltán
Budapesti Műszaki Egyetem

Ez év szeptember 30-án Tokiótól mintegy 120 kilométernyire észak-keletre fekvő Tokai Mura nukleáris központban baleset történt, amelyről - röviddel bekövetkezése után - a sajtó, az elektronikus média és a Fizikai Szemle is beszámolt. Az azóta eltelt időben a baleset valóságos lefolyásáról és a sérültek állapotáról is részletesebb információk érkeztek, így most már jóval pontosabb - bár még mindig nem teljes - tájékoztatást adhatunk.

A mintegy 34000 lakosú Tokai Mura Japán egyik legfontosabb nukleáris központja, amely 15 különböző nukleáris létesítménynek (reaktorok, reprocesszáló üzem stb.) ad helyet. E létesítmények egyike az a kísérleti uránfeldolgozó-átalakító üzem, amelyben a baleset történt. A baleset az üzem egy olyan épületében történt, amely közel van a kerítéshez. Az épülettől mintegy 80 m-re közút vezet, s 110 m-re vannak a legközelebbi lakóházak.

Ebben az üzemben kis mennyiségben, kísérleti célokra állítanak elő különböző dúsítású¹ uránt tartalmazó urándioxidot. A nagy tisztaságú U₃O₈ (amelyből redukcióval állítják elő az UO₂-t) előállítása történhet uránhexafluoridból (UF₆), vagy valamilyen U₃O₈ tartalmú (de még tisztításra szoruló) anyagból

Az üzemben általában kis dúsítású (maximum 5%) uránnal dolgoznak. Ritkán azonban az is előfordul, hogy ugyanebben az üzemben ugyanezekkel az eszközökkel közepes dúsítású uránt konvertálnak. Erre más típusú atomreaktorok - például a kísérleti jelleggel üzemelő JOYO gyorsreaktor - üzemanyagának elkészítése érdekében van szükség. Ez az üzemanyag azonban már sokkal nagyobb dúsítású, itt a dúsítás mértéke elérheti a 20%-ot is. A baleset napján 18,8%-os dúsítású uránnal dolgoztak.

A konvertáló berendezéseket nem veszi körül árnyékolás, hiszen az itt feldolgozásra kerülő anyagok még "tiszták", azaz nem tartalmaznak erősen radioaktív hasadási termékeket. Az üzem felügyeletét a Japán Tudományos és Technikai Ügynökség (Japan's Science and Technology Agency, STA) látja el. Az elmúlt három évben a felügyelő hatóság egyetlen alkalommal sem végzett részletes ellenőrzést a telephelyen². Az üzemnek nem volt intézkedési terve kritikussági baleset (megszaladó láncreakció) esetére sem, mert mind a felügyelet, mind az üzem vezetése úgy gondolta, hogy "megszaladó hasadásos láncreakció nem jöhet létre, ha betartják a megfelelő biztonsági intézkedéseket". Ugyanez volt az oka annak is, hogy az üzemben csak -sugárzást érzékelő detektorok (doziméterek) voltak, de nem volt egyetlen neutrondetektor sem.

1. ábra. Az előírások szerinti technológiai kapcsolás és műveleti sorrend.

Technológiai folyamatok

A technológiai folyamatok végrehajtását részletes szabályzatok és üzemviteli utasítások írják le. Jóllehet mindkét dúsítású uránt ugyanazokban a berendezésekben dolgozzák fel, az utasítások mennyiségi határértékeket tartalmaznak a különböző dúsítású anyagokra vonatkozóan. A 16% - 20%-os dúsítású üzemanyagból maximálisan 2,4 kg uránt tartalmazó anyagot szabad betölteni a berendezésbe, az alacsonyabb (3,5-5%) dúsításúból pedig 20 kg-ot. Az előírások szerint végrehajtható technológiai műveletek az 1. ábra szerint összegezhetők.

• Egy kis tartályban (oxid formájú) uránt oldanak fel salétromsavban. A tartály mérete és a feltöltés üteme biztosítja, hogy a 2,4 kg urántartalmat ne léphessék túl.
• Az oldatot 18 cm átmérőjű átmeneti tartályokba szivattyúzzák, és levegővel történő átbuborékoltatással folyamatosan keverik. Ezen a ponton kell ellenőrizni az anyag urántartalmát. Ezeknek a tartályoknak olyan a geometriai elrendezése (kis átmérőjű, magas, tehát nagy felületű, hogy még akkor sem jöhet létre bennük láncreakció, ha teljesen tele vannak. Ez újabb biztosíték, amely miatt a megszaladásos láncreakciót kizártnak tartották.
• A folyamat következő lépésében az uránt ammónia hozzáadása után ammónium-diuranát alakjában kicsapatják. Ezt a műveletet egy újabb, kicsapató tartályban hajtják végre. Miután a folyamat során korábban két helyen is biztosítva látták az urán mennyiségének korlátozását, a kicsapató tartály tervezésekor erre a szempontra nem voltak tekintettel. A keverést ebben a tartályban is levegő befúvással vagy mechanikus keverővel végzik. A továbbiak szempontjából fontos, hogy ezt a tartályt - hűtés céljából - vízköpeny veszi körül.

2. ábra. A szabálytalanul alkalmazott műveleti sorrend.

• Az ammónium-diuranátot hevítéssel végül U₃O₈ porrá alakítják. Ez a művelet a baleset szempontjából már érdektelen, ezért ezt nem részletezzük. Csupán megjegyezzük, hogy a fenti leírásból láthatóan a folyamat kezdő és végterméke is U₃O₈ por, a folyamat célja tehát az U₃O₈ tisztítása.

A konvertáló üzem vezetősége néhány évvel ezelőtt megváltoztatta a technológiai utasítást, anélkül, hogy erre a felügyelettől engedélyt kapott volna. A folyamat felgyorsítása érdekében műveleti utasításban rögzítették, hogy az U₃O₈ port egy körülbelül 10 literes nyitott edényben kell salétromsavban feloldani, majd ebből az oldat egy szivattyú segítségével kerül a keverő-ülepítő oszlopokba. Azt azonban előírták, hogy tömegméréssel ellenőrizni kell az U₃O₈, mennyiségét, hogy ne lépjék túl a 2,4 kg-os határértéket. Három ilyen edényre való oldatot szabad az átmeneti tartályokba szivattyúzni, ahol a további keverést már levegőbuborékokkal végzik. A felügyelet azt állítja (most!!), hogy ha megkérdezték volna őket, nem engedélyezték volna ezt az eljárást, mert uránoxid és salétromsav nyitott edényben való keverésekor olyan gőzök (például NOx), valamint aeroszol részecskék kerülhetnek a levegőbe, amelyek károsak az egészségre.

A baleset

Három év óta ez volt az első eset, hogy a konvertáló üzemben közepesen dúsított uránt dolgoztak fel. A szolgálatban lévő 5 munkás közül kettő még sohasem dolgozott ilyen nagy dúsítású (18,8%) uránnal.

A baleset előtt a csoport vezetője utasította a munkásokat: gyorsítsák tovább a feldolgozási folyamatot azzal, hogy egyrészt több anyagot adagoljanak egyszerre, másrészt az anyagok elkeverését ne a különálló tartályban végezzék; hanem egyenesen a kicsapató tartályban (2. ábra). (A baleset után elmondta, hogy ilyet már korábban is csináltak, s annak semmilyen káros következménye nem volt. Arról viszont nem szól a jelentés, hogy a korábbi esetnél mekkora volt az urán dúsítása.) Végeredményben az uranil-nitrát oldatot közvetlenül a kicsapató-ülepítő tartályba öntötték egy, a tartály tetején megnyitott nyíláson keresztül. A keveréket azután ebben a tartályban keverték. Ezzel az egyébként három óráig tartó eljárást el tudták végezni fél óra alatt.

Szeptember 29-én, szerdán az eredeti tervekhez képest öt órás késésben voltak. A munkások ezt a késést igen komolynak tartották, különösen amiatt, hogy a következő napra várták az elkészült anyag közbenső minőségellenőrzését. A késés behozása érdekében a munkások 4 edényre való, 9,2 kg uránt tartalmazó anyagot öntöttek a tartályba, mielőtt a munkanap véget ért volna. Miután csütörtök reggel még mindig késésben voltak, az akkor szolgálatban lévők további három edénnyel, mintegy 6,9 kg uránt tartalmazó anyagot öntöttek a tartályba.

A harmadik - összességében hetedik - edény tartalmát szeptember 30-án 10:35-kor öntötték be a kicsapató tartályba. A tartályban ekkor hasadási neutron-láncreakció indult el, s a közelben lévő három munkás igen nagy sugárdózist kapott. Egyikük, aki kissé távolabb állt, segített a másik két társának - akik szinte azonnal rosszul lettek- kijutni a teremből és az épületen kívül elsősegélyt kapni: A -dózisteljesítménymérők azonnal jelezték az igen nagy sugárzási szintet és riasztották a sugárvédelmet. A szerencsétlenül járt munkások kék felvillanásról számoltak be. Ezt - minden valószínűség szerint - a szemben lévő anyagokban (csarnokvíz, lencse, üvegtest) létrejött Cserenkov-sugárzás okozta. A láncreakció során létrejött -fotonok olyan nagy sebességű elektronokat hoztak létre a szemükben (például Compton-szórás, vagy fotoeffektus révén), amelyek sebessége meghaladta a szem nagy törésmutatójú anyagaiban elérhető fénysebességet. Ezek az elektronok okozták a Cserenkov-sugárzást. (A Paksi Atomerőmű elhasznált fűtőelemeit pihentető medencéjének vizében létrejött Cserenkov-sugárzást a Fizikai Szemle 1992/4 számának színes címképe mutatta be.)

Nukleáris láncreakció 17 órán keresztül

A láncreakciót csak 17 óra múlva sikerült leállítani. A láncreakció lefolyásáról kevés adatunk van, hiszen - mint korábban említettük - a létesítményben nem voltak neutrondetektorok, de olyan berendezés sem, amely a láncreakció érzékeléséhez, illetve megállításához szükséges lett volna. A szakértők legnagyobb része egyetért abban, hogy a láncreakció valószínűleg pulzált. A legkorábbi neutrondózist, amelyről jelentés érkezett, szeptember 30-án 19:09 és 19:22 között mérték a létesítmény kerítése mellett. Ez csaknem 9 órával a baleset bekövetkezése után történt! S mivel ez a mérés is csak 13 perces időintervallumra vett átlagot adott meg, nem nyújt empirikus támpontot arra vonatkozóan, hogy a láncreakció tényleg pulzált-e vagy sem.

A feltevések szerint a pulzálásban több ok is szerepet kaphatott. Az egyik ilyen ok az, hogy a láncreakció hőt termelt, ez konvekciós áramlásokat indított meg az ülepítő tartályban lévő folyadékban. Ezek az áramlások "felkavarták" az uránt tartalmazó csapadékot, s ezáltal megszűnt a kritikusság feltétele. A láncreakció megszakadásakor a hőtermelés is leállt, így megszűntek a konvekciós áramlások is. Rövidebb-hosszabb idő alatt a tartályban újra leülepedett az urántartalmú anyag, s ekkor a láncreakció ismét beindult...

Egy másik ilyen ok lehet a víz hidrolízise: a nagy intenzitású ionizáló sugárzás bontja a vizet, s ez buborékok képződéséhez vezet. A buborékok megjelenésével csökken a neutronlassító közeg részaránya, így lassul - vagy esetleg meg is áll - a láncreakció.

A harmadik ilyen ok lehet az oldat melegedése és hőtágulása következtében létrejött negatív reaktivitás visszacsatolás.

Jelenleg ennek a folyamatnak a modellezésével és kiszámításával foglalkozunk. Ez azért is különösen nehéz feladat, mivel az urán és a neutronlassító közeg (a folyadék) a tartályban nem szabályos rendben helyezkedik el, hanem véletlenszerűen. Turbulens áramlások során az egyes csapadék-szemcsék még kaotikus mozgásokat is végeznek.

A hűtőköpeny szerepe

Abban mindenki egyetért, hogy a láncreakció létrejöttét elősegítette az ülepítő tartály körül elhelyezkedő hűtővíz-köpeny. Mivel a tartály kis méretű volt, a neutronok nagy része gyorsneutronként kiszökött a tartályból. Ezek a neutronok lelassultak a vízköpenyben, termikus neutronként visszadiffundáltak a hasadóanyagot tartalmazó tartályba, ez a reflexió segítette a láncreakciót. A láncreakciót végül is úgy sikerült végleg megfékezni, hogy leürítették ezt a külső vízköpenyt. Ezt az nehezítette, hogy az épületen kívül is nagyon nagy volt a sugárzás dózisteljesítménye. Hajnali 2:35-kor két munkás védőruhában fényképeket készített a hűtőköpenyt leürítő csapról az épületen kívül. Három percig voltak csak ott, de dozimétereik megközelítőleg 12 mSv - és 91 mSv neutrondózist mutattak. Három órakor másik két munkás meggyőződött arról, hogy a hűtővíz-keringető szivattyú működik. Huszonkét perccel később, 3:22-kor másik két munkás kinyitotta a hűtővíz leürítő szelepet. Ennek ellenére a terembe küldött távirányított robot³-megfigyelők szerint nem történt meg a hűtővíz leürítése. Ezért a munkások az épületen kívül elvágták a fenti rajzokon "A"-val jelölt csövet, és argon gázzal nyomás alá helyezték a hűtővizet tartalmazó köpenyt. Ennek eredményeképpen végül reggel 6 órakor a műszerek jelezték, hogy a hűtővíztartály kiürült. Ezzel egyidőben a neutron- és a -dózisteljesítmény erőteljes csökkenése jelezte; hogy a láncreakció leállt. A kiürítés érdekében végzett műveletek során 18 munkás kapott kisebb-nagyobb sugárdózist.

A láncreakció vége

Annak érdekében, hogy a láncreakció biztosan ne indulhasson újra, távirányított robotok³ segítségével reggel 8:20-kor bórsav oldatot juttattak az ülepítő tartályba. A Tokio Electric Power Company már jóval korábban rohamkocsival odaszállított elegendő mennyiségű bórsavat, de korábban ezt nem tudták felhasználni. Lehet, hogy ekkorra derült ki, hogy az ülepítő tartály tetején nyitva lehetett az a beöntő nyílás, amelyen keresztül a munkások beletöltötték az urántartalmú anyagot. A robotok azon keresztül tudták bejuttatni a bórsavat is.

1999. október 1-jén 9:20-kor a Nukleáris Biztonsági Bizottság (Nuclear Safety Commission) bejelentette, hogy "a kritikus állapot megszűnt". Japán kormányszervek délután háromkor megerősítették, hogy a rendszer stabil, és feloldották a korábban elrendelt baleseti intézkedéseket. Természetesen a robotok tovább folytatták a sugárzási helyzet figyelését, és a létesítmény köré ideiglenes sugárvédő gátakat építettek⁴. Jelenleg a létesítmény üzemen kívül van.

Sugárzási helyzet és sugárdózisok

A baleset következtében három alkalmazottat ért életveszélyesen nagy dózis. Az általuk kapott dózisokat a japán hatóságok sievertben adták meg, jóllehet baleseti dózisok esetén - az ICRP 60 ajánlása szerint - nem ajánlott a dózisegyenérték használata, mert a sugárzási súlytényezőket sztochasztikus hatásokra állapították meg. A japánok által közölt adatok: 17 Sv, 10 Sv és 3 Sv. Mindhárman élnek és jelenleg kórházban vannak. A 3 Sv-et kapott munkás állapota jó, és biztosan túléli a balesetet. A másik két munkáson csontvelő-átültetést hajtottak végre, rendszeresen vértranszfúziót kapnak. Korai lenne még e két munkás túlélési kilátásairól jósolni. Rajtuk kívül negyvenhatan kaptak kisebb dózist; közülük tizennyolcan a baleset elhárításában vettek részt, a többiek a központ szomszédos létesítményeiben dolgoztak: A Tokai Mura központ 150 méteres környékéről százötven embert kitelepítettek, s a központ 10 kilométeres körzetében élő lakóknak azt javasolták, hogy zárkózzanak be a lakásukba. Ezt az intézkedést a baleset másnapján, a balesetet követően huszonkilenc óra elmúltával feloldották, tizenkét órával azután, hogy a láncreakciót sikerült megállítani. Lezárták azt az épületet, ahol a baleset történt, de minden más baleset-elhárítási korlátozást feloldottak.

<>

A dózisokkal kapcsolatosan több pontatlan adat látott napvilágot. A baleset utáni percekben a létesítmény kerítésénél 0,84 millisievert per óra (mSv/h) -dózisteljesítményt mértek, a természetes háttérsugárzás szabadban mérhető értékének mintegy négyezerszeresét.

A mérhető sugárzás kevert neutron- és -sugárzás volt (ez arra utalt, hogy a közelben valahol láncreakció megy végbe). Mindkét összetevő sugárzási szintje gyakorlatilag állandó maradt a láncreakció megállításáig (-sugárzás: 0,4-0,5 mSv/h, neutronsugárzás: 3,5-4,5 mSv/h). A láncreakció megszűnése után neutronsugárzás nem volt mérhető, a -sugárzás szintje pedig visszaállt a természetes háttérnek megfelelő dózisteljesítményre.

Ha valaki a láncreakció teljes tizenhét órája alatt a kerítésnél tartózkodott volna, akkor 76 mSv dózist kapott volna (neutront és -t együtt): Ilyen személy nem akadhatott, hiszen nyilván mindenkit elküldtek a baleset közeléből. Sokkal reálisabb egyórányi tartózkodással számolni; ez azokkal fordulhatott elő, akik a baleset elhárítása érdekében tartózkodtak a kerítés közelében. Rájuk vonatkozóan a számítás (kereken) 5 mSv-et ad. Néhány éve még ennyi volt az éves dóziskorlát a lakosság számára. Innen látható, hogy a kerítésnél kapott 5 mSv nem jelenthet jelentős egészségi kockázatot.

A baleset értékelése

A baleset több emberi hiba következménye volt.

1. Az előírásos műveletsor helyett egy rövidített, nem engedélyezett eljárást követtek, amelyhez nem készült megfelelő biztonsági analízis sem.
2. A munkások még a fenti, rövidített eljárásrendtől is eltértek: elmulasztották ellenőrizni vagy tudatosan nem tartották be az oldat urántartalmára vonatkozóan előírt korlátot.
3. A vizsgálatok megállapították, hogy a munkások nem voltak megfelelően felkészítve. Kiképzésük során nukleáris láncreakcióról és kritikussági balesetről, illetve annak megelőzéséről szinte egyáltalán nem esett szó.
4. Súlyos felelősség terheli az üzem vezetését is. Egyes források szerint nem biztos, hogy a munkások tudatában voltak annak, hogy magasabb dúsítású anyaggal dolgoznak, s ez magyarázatul szolgálhat arra, hogy ilyen mértékben túllépték az urántartalomra kiszabott korlátot. (Kis dúsítású anyaggal akár 20 kg-ig is elmehettek volna.) Ha ez így van, akkor az információs csatorna hiányossága a baleset egyik legfontosabb oka.
5. Az üzem vezetésének hibája, hogy a berendezésbe juttatható urán mennyiségét csak szabályzatokkal korlátozták és nem hoztak műszaki intézkedéseket. Régebbi balesetek tapasztalatai azt mutatják, hogy ez biztonsági szempontból helytelen. A megoldás igen egyszerű: az uránfeldolgozó üzemekben a tartályok méretének és alakjának olyannak kell lennie, hogy azokban az elképzelhető legnagyobb dúsítású oldattal se indulhasson be a láncreakció. Tervezési hiba, hogy a 18,8% dúsítású uránból annyit lehetett a tartályba juttatni, amennyitől az kritikussá vált, illetve az, hogy ezen a berendezésen megengedték 18,8% dúsítású urán feldolgozását. A szóban forgó tartály méreteinek ismeretében a tervezők nem alkalmazták az említett egyszerű biztonsági korlátot. A nyugat-európai gyárak kijelentették: náluk - az átmérőre vagy magasságra vonatkozó korlátozások miatt - ilyen jellegű baleset nem következhet be.

A hétfokozatú nemzetközi nukleáris eseményskála (International Nuclear Event Scale, INES) szerint ez a baleset 4-es besorolást kapott. A 4-es fokozat olyan balesetet jelöl, amely nem jár a telephelyen kívül számottevő kockázattal (az 5-ös fokozat külső többletdózisokat tételez fel, amelyek miatt már ellenintézkedésekre van szükség). A japán hatóságok mérlegelték, hogy ötös fokozatúvá minősítsék-e a balesetet, de ezt nem a környezeti hatások miatt tették volna, hanem a létesítmény vezetőinek működését ítélték bűncselekménynek, s ez súlyosbíthatja az INES besorolást. A tényleges kibocsátás egyébként kismértékű volt. A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség felszólította az érdekelteket, hogy fokozottan tartsák be a biztonsági előírásokat.

Epilógus

Amerikai kezdeményezésre, de ma már az OECD égisze alatt, 1995 óta folyik egy olyan kézikönyv összeállítása, amely több ezer kritikussági kísérlet eredményeit foglalja össze. Ebből 311-et, vagyis az összes ilyen kísérletnek majdnem 10 százalékát egyikünk (Szathmáry Zoltán) vezetésével végezték el 1972 és 1990 között a KFKI-ban. (Ez talán hitelesíti azt az alapállásunkat, hogy a kritikussági baleset elkerülhető.) A hatalmas vállalkozásnak az a célja, hogy a legkülönbözőbb körülmények között is ellenőrizni lehessen azokat a számítógépi programokat és magfizikai adatokat, amelyek a kritikusság biztonsági elemzésére szolgálnak. Ebben a munkában a japánok is részt vesznek. Az ő részükről tehát nem a biztonsági elemzések módszereivel van baj, hanem azok szakszerű alkalmazásával. A Tokai Murában bekövetkezett baleset- ismételten- felhívta a figyelmet arra, hogy a tudomány halad, de ezt a gyakorlatnak is követnie kellene).

Köszönetnyilvánítás

A szerzők köszönetet mondanak az Országos Atomenergia Hivatal munkatársainak a kézirat gondos átolvasásáért és kritikai megjegyzéseikért.

Nyilvánosan hozzáférhető dokumentumok csak egyes internetes lapokon vannak. A cikket a NucNet, a European Nuclear Society, a FORATOM, a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség dokumentumai, valamint a nukleáris közösség tagjaitól kapott Elektronikus levelek alapján állítottuk össze, az 1999. november közepéig rendelkezésre álló információk alapján.

____________________________

1. A dúsítás a hasadóképes ²³⁵U izotóp részarányát jelenti. A természetes uránban ennek részaránya 0,71%.
2. A japán atomerőművek esetében teljesen más a helyzet, ott rendszeres és igen szigorú ellenőrzés folyik. Az atomerőművek ellenőrzése egyébként nem az STA, hanem egy másik minisztérium hatáskörébe tartozik, amelyik szoros kapcsolatban áll a Nemzetközi Atomenergia ügynökséggel.
3. Az angol szövegben: "responder".
4. Az épület és a tartály sem sérült meg, szemben néhány olyan felröppent híreszteléssel, amely az épület tetejének sérüléséről szólt. 1997-ben már volt egy baleset Tokai Murában; akkor egy reprocesszáló üzemben ütött ki tűz. Egyes TV társaságok a mostani baleset "illusztrálására" előszedték és bemutatták az akkor készült felvételeket.