La Vulnerabilità unica delle piscine di carburante Spent

I serbatoi di stoccaggio non sono passivi; essi sono sistemi di raffreddamento a gas termico attivi; dopo che il combustibile viene rimosso da un reattore, emana abbastanza calore residuo che deve essere sommerso sotto i sette metri di acqua forata per il raffreddamento continuo e la schermatura delle radiazioni.

La base di progettazione per piscine di carburante spesi negli anni '70 ha assunto un lungo periodo di grazia prima di ebollizione: con la piena profondità dell'acqua e senza circolazione attiva, la piscina richiedeva decine di ore per raggiungere la temperatura di saturazione e molti altri per bollire fino alla cima del rack.

Sforzi di danni strutturali e di stabilizzazione

Esplosioni di idrogeno che hanno sfrenato le piscine

Tra il 12 e il 15 marzo 2011, le esplosioni di idrogeno hanno demolito le parti superiori dell'unità 1, unità 3 e unità 4 edifici del reattore. L'esplosione dell'unità 4 era particolarmente confondente perché il reattore stesso era stato definì; l'idrogeno si era migrato dall'unità 3 attraverso condotti di ventilazione condivisi. L'esplosione ha fatto saltare l'intero tetto e la parete meridionale dell'unità 4 edificio, esponendo la piscina combustibile spessata direttamente all'atmosfera.

I reattori non hanno potuto essere utilizzati per il ripristino dell'acqua, ma la superficie della piscina non era visibile. Gli strumenti sismici avevano registrato un violento agitazione che probabilmente superava la base originale del progetto. Un fallimento delle colonne di sostegno sotto la piscina—lasciava i pilastri di cemento armato all'interno dell'edificio già danneggiato—ha portato ad un calo catastrofe del pavimento di accumulo

Valutazione del rischio rapido e supporto temporaneo

I lavoratori a distanza hanno permesso di realizzare una valutazione strutturale a tiered con fotografie, scansione laser e successivi LIDAR. L'analisi ha dimostrato che mentre la piastra rinforzata in cemento sotto la piscina era intatta, diverse colonne di supporto avevano perso una significativa area trasversale dall'alto e da successivi post-sacco.

Drone e Laser Scanning Innovations

I progettisti hanno adattato i quadcopter commerciali con l'elettronica temprata a radiazione per volare negli edifici senza tetto e catturare immagini ad alta risoluzione di crepe e spall. Le unità LIDAR a terra montate su piattaforme mobili hanno prodotto nubi a punto tridimensionale dell'interno, che sono state poi messe a punto con piani di costruzione pre-incidente per calcolare le deflettori esatte.

Iniezione di emergenza e guasti di raffreddamento

Perdita di trucioli e pompe di circolazione

In funzione del normale funzionamento, il raffreddamento del pool di combustibile speso è fornito da cappi ridondanti: una pompa di raffreddamento primaria circola l'acqua della piscina attraverso uno scambiatore di calore raffreddato dal sistema di acqua di servizio della pianta. Senza elettricità, entrambi i lati primari e secondari si fermano. L'acqua della piscina ha cominciato a riscaldare ad una velocità di circa 0,5-1 °C all'ora, una cifra che suona lieve fino a rendersi conto che è inesora inesora inesorabile.

Il problema era la mancanza di un livello e di una strumentazione di temperatura affidabili. I sensori installati originariamente nelle piscine sono stati distrutti dall'esplosione o resi inoperabili perché i loro cavi di segnale sono passati attraverso scatole di giunzione danneggiate. Gli ingegneri hanno fatto ricorso a fori di perforazione attraverso il pavimento di rifornimento coperto dai detriti e a smorzamento dei termocoppie su un nastro di misura in acciaio.

Iniezione di acqua salata e le sue conseguenze a lungo termine

Con l'esaurimento delle scorte di acqua dolce, TEPCO ha deciso senza precedenti di iniettare acqua di mare nelle vasche di combustibile spesi utilizzando i camion di fuoco e le pompe di diaframma. L'acqua di mare è stata prontamente disponibile dalla linea di litorale inondata di tsunami, ma ha portato un cocktail corrosivo di cloruri, solfati e microrganismi marini.

Il ruolo di Boron in iniezione di acqua marina

L'acqua marina contiene circa 4,5 mg/L di boro, principalmente come acido borico. Quando mescolata con l'acqua di piscina già borata, la concentrazione di boro è rimasta al di sopra della soglia di sicurezza di criticità anche quando l'acqua è evaporata. Questo contenuto di boro naturale è stato un fattore di sicurezza fortuito.

Sistemi di raffreddamento portatili e gestione dell'acqua

Nella prima settimana caotica, il metodo primario di iniettare acqua nelle piscine era quello di spruzzarlo attraverso i fori spalancati nei tetti di costruzione del reattore. I camion di pompaggio calcestruzzo modificato, normalmente utilizzati per posizionare il cemento liquido su siti di costruzione ad alta velocità, erano riposizionati con i loro sbalzi di spruzzo articolanti estese sui campi di detriti.

Le pompe diaframma autoadescanti TEPCO hanno adattato le pompe diaframma autoadescanti normalmente utilizzate per la dequadratura delle costruzioni. Queste sono state poste al piano terra e collegate a tubi lunghi, corrono le scale e attraverso pareti rotte al pavimento di rifornimento. Gli operatori controllavano la velocità della pompa da un post di comando mobile, regolando il flusso in base alle letture di temperatura delle termocoppie a bordo della giuria.

Sistemi di raffreddamento a profilo chiuso azionabili

Come il primo caos subacqueo, gli ingegneri hanno progettato un sistema di raffreddamento dedicato per piscine a combustibile che potrebbe essere impostato fuori dall'edificio e collegato tramite tubi flessibili alla piscina. Il sistema consisteva in una serie di scambiatori di calore montati a sci, filtri di particolato e colonne di resina a scambio ion-exchange. L'acqua è stata prelevata dalla piscina da una pompa submersible, raffreddata da scambiatori di calore a aria-lacrista (più tardiva sostituita da un'acqua raffreddato a raffreddamento ridotto

Il sistema temporaneo si è evoluto nel “Fuel Pool Cooling and Clean-up System” (FPCCS), un’installazione più permanente con pompe ridondanti, generatori diesel di backup e monitoraggio remoto. Un’importante lezione di progettazione è stata l’inserimento di ugelli di collegamento di grande diametro che potrebbero essere accoppiati senza l’ingresso umano nell’area di alta velocità.

Selezione e Limitazioni di Air‐Blast

I primi scambiatori di calore a sabbiatura sono stati dimensionati per un dovere di circa 1,5 MW, ma le temperature ambientali durante l'estate del 2011 hanno superato i 35 °C, riducendo la capacità di raffreddamento di quasi il 20%. Gli ingegneri hanno aggiunto gli ugelli di raffreddamento mistura per raffreddare l'aria in entrata, ma questa acqua di scarico demineralizzata consumata che era già scarsa.

Ispezione robotica e rimozione dei debito

Mappatura dell'ambiente subacqueo

Prima di poter pianificare qualsiasi rimozione del combustibile, gli ingegneri dovevano accertare la condizione esatta dei gruppi di carburante spesi e dell'infrastruttura della piscina. L'acqua della piscina era torbida a causa di prodotti di corrosione sospesi, frammenti di cemento e materiale isolante soffiato. Le telecamere subacquee convenzionali avevano una visibilità limitata. TEPCO ha implementato una serie di veicoli a distanza (ROV) dotati di sonar-, rivelatori di radiazioni e luci a raggi infrarossi ad alta intensità.

Le scansioni di sonaro hanno rivelato che, mentre la maggior parte dei rack di carburante era rimasta in posizione verticale, alcuni si erano spostati fino a 5 cm. Le braccia robotizzate dotate di pinze di detriti staccate con cura, pezzi di grattugia, corrimano e ductwork, e le hanno collocate in cesti schermati.

Valutare l'integrità del carburante

Dei 1.535 gruppi di carburante presenti nella piscina Unit 4, un piccolo numero è stato danneggiato durante una precedente fuoriuscita di rifornimento, ma la domanda è se il terremoto, l'esplosione o i detriti in caduta hanno causato ulteriori violazioni di rivestimento.

Gamma-Ray Spectroscopia per l'analisi non distruttiva

Oltre al campionamento dell'acqua, i ROV hanno portato spettrometri gamma-ray compatti che potrebbero identificare prodotti specifici di fissione da una distanza di un metro. Gli spettri sono stati confrontati con i record di bruciato pre-accidentali per determinare se il rilascio da ogni assemblea corrispondesse all'inventario previsto.

La campagna di rimozione del carburante dell'unità 4

La cupola protettiva e la gru di manipolazione

La rimozione del combustibile da una piscina situata in un edificio a cielo aperto, strutturalmente compromesso, richiedeva un approccio di ingegneria radicale: costruire un contenitore gigante su tutto l'edificio senza aggiungere un peso eccessivo al telaio indebolito. TEPCO ha eretto un enorme tetto in acciaio lungo 70 metri, largo 30 metri, e alto 30 metri, coperto con pannelli resistenti agli agenti atmosferici e dotato di una gru a ponte sovrastante.

La gru ha usato un manipolatore a lunga portata che potrebbe estrarre verticalmente un assemblaggio di carburante dal suo rack, issare in una botte di trasferimento pesante, e abbassare la botte attraverso un portello dedicato a livello di terra dove potrebbe essere trasportato da un rimorchio al comune meccanismo di scarico del sito.

Completo e lezioni

La rimozione del carburante è iniziata nel novembre 2013 e ha concluso nel dicembre 2014, una pietra miliare che ha rimosso uno dei più grandi rischi di radiazione rimanenti dal sito di Fukushima Daiichi. L'operazione ha trasferito 1.331 e 204 nuovi (unirradiati) gruppi di carburante senza alcun incidente significativo. Il successo della campagna ha dimostrato che anche dopo un grave incidente, il combustibile speso può essere recuperato in modo sicuro a condizione che la chimica dell'acqua del pool e la stabilità strutturale sono garantiti prima e che un approccio volutamente lento e sviluppato è un approccio robotizzato.

Servizi di formazione e di addestramento pre-operativi

Prima di qualsiasi movimentazione del combustibile del mondo reale, ogni operatore di gru e tecnico di braccio remoto hanno subito tre mesi di allenamento in un impianto di mock-up appositamente costruito in città di Ōkuma, a 10 km dalla pianta.

Trattamento dell'acqua a lungo termine e gestione del trizio

La Legacy dell'acqua contaminata

Ogni litro d'acqua spruzzato nelle vasche di combustibile spesi doveva essere recuperato, trattato e immagazzinato. La fase di iniezione improvvisata da sola ha generato decine di migliaia di metri cubi di acqua contaminata con cesio, strontium, tritium e altri nuclidi. Sebbene i pool di combustibile spesi abbiano contribuito a una frazione più piccola del totale inventario dell'acqua contaminata rispetto ai cicli di raffreddamento del reattore, hanno comunque aggiunto un flusso persistente, perché il sito

Il collegamento tra la gestione del pool di combustibile e la sfida di stoccaggio dell'acqua è spesso sottovalutato: mantenendo le temperature stabili della piscina e utilizzando una filtrazione ad alta efficienza, gli ingegneri hanno ridotto la domanda di acqua di trucco della piscina di oltre il 90% rispetto alla campagna iniziale di iniezione.

ALPS e gestione del trizio

Il sistema avanzato di elaborazione del liquido utilizza una serie di adsorbenti tra cui titani, esacianoferrati e resine chelatrici per rimuovere 62 diversi radionuclidi. Per il colpo di piscina spesi, le concentrazioni di ingresso di cesio e strontium sono stati due ordini di grandezza inferiore all’acqua di raffreddamento del reattore, permettendo ai filtri ALPS di funzionare per periodi più lunghi tra sostituzioni.

Cambiamenti e aggiornamenti di sicurezza regolatoriali globali

Strumenti e aggiornamenti di potenza di backup

L’incidente di Fukushima ha innescato una riesame globale della sicurezza dei pool di carburante spesi. L’Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica Il rapporto del Direttore Generale dell’IAEA sull’incidente di Fukushima Daiichi] ha sottolineato la necessità di un’efficace strumentazione a livello di acqua e temperatura della piscina che rimane funzionale in condizioni di grave incidente.

Modifiche normative e impianti nel mondo

I sistemi di regolazione nazionali dal Giappone agli Stati Uniti all'Europa hanno adottato nuovi requisiti per la strumentazione del pool di combustibile spesi. La Commissione di regolamentazione nucleare degli Stati Uniti, per esempio, ha rilasciato Order EA‐12‐051] che inviava indicatori di livello affidabili per tutti i tipi di pool, e molte utilità hanno completato questa esplosione con ventilazione indurita per gli edifici a bordo piscina e connessioni a iniezione portatili.

In Europa, il Gruppo Europeo per la Sicurezza Nucleare (ENSREG) ha condotto test di stress che hanno valutato specificamente la capacità di piscine di carburante spesi per resistere a una perdita completa di dissipatore di calore per 72 ore. Molti reattori hanno installato valvole di sifone passiva per evitare la formazione di vortice durante il drenaggio della piscina, e ha aggiunto serbatoi di acqua di riempimento dedicati di una pompa di carburante riempita con acqua forata.

Ricerca in corso e Implicazioni future

Carburante ad alto consumo e Margine di temperatura

I laboratori nazionali di grandi dimensioni, come Sandia I laboratori nazionali di Sandia hanno speso la ricerca di combustibile nucleare] hanno simulato scenari di ebollizione per affinare le linee temporali per il rivestimento dell'ossidazione e della palloncini di combustibile. I dati di Fukushima- recuperano le ispezioni di temperatura, i campioni di chimica dell'acqua

La ricerca ha dimostrato che il combustibile ad alto consumo, che costituisce una frazione crescente di inventori di carburante spesi a livello globale, è un'ossidazione a temperatura leggermente inferiore rispetto a quella precedentemente modellata. Il rivestimento diventa più fragile a causa dell'indurimento indotto da radiazioni, e lo spessore dello strato di ossido riduce la temperatura di insorgenza per un rapido ripristino dell'ossidazione da circa 900 °C a 850 °C.

Lezioni per la sicurezza nucleare e un progetto per l'ingegneria post-incidente

La gestione dei pool di combustibili spesi a Fukushima Daiichi è una narrazione di improvvisazione intensiva seguita da un consolidamento sistematico dell’ingegneria. Di fronte agli edifici crollati, alla mancanza di dati affidabili e ai campi di radiazione che hanno impedito l’accesso umano, i team di risposta hanno implementato la pompaggio portatile, la bracing strutturale, la robotica remota e i cappi di trattamento dell’acqua.

L’esperienza di Fukushima ha anche rafforzato l’importanza della comunicazione trasparente con il pubblico e con gli esperti internazionali. TEPCO ha pubblicato rapporti settimanali sulle temperature dei pool, sui livelli di acqua e sui dati di contaminazione, tutti analizzati dall’IAEA e da ricercatori indipendenti.