Sydämen sulamisonnettomuus

Sydämen sulamisonnettomuus on ydinonnettomuus, jossa ydinreaktorissa olevan ydinpolttoaineen lämpötila nousee niin korkeaksi, että polttoaine alkaa sulaa. Reaktorissa olevasta polttoaineesta käytetään nimitystä reaktorisydän, josta onnettomuustyypin nimi tulee. Säteilyturvakeskuksen määräyksissä käytetään yleisempää termiä vakava reaktorionnettomuus, jossa huomattava osa polttoaineesta menettää alkuperäisen rakenteensa, mutta ei siis välttämättä sula.

Sydämen sulamisonnettomuus voi tapahtua, jos reaktorin teho kasvaa äkillisesti (kuten Tšernobylissä) tai jos sydämen jäähdytys menetetään (kuten Three Mile Islandissa ja Fukushimassa). Kevytvesireaktoreissa tehon kasvun aiheuttaman onnettomuuden riski on äärimmäisen pieni. Suuremmat riskit liittyvät jäähdytyksen menetykseen. Reaktori tuottaa jälkilämpöä vielä ketjureaktion pysäyttämisen jälkeen. Jos jälkilämpöä ei saada poistettua reaktorista, polttoaine voi ylikuumentua ja sulaa. Jäähdytyksen menetys voidaan pelkistää kahteen perustapaukseen: jäähdytysvesi vuotaa pois, tai lämmönsiirto primääripiiristä ei toimi, jolloin jäähdytysvesi vähitellen kiehuu pois varoventtiilien kautta. Nykyaikaisissa ydinreaktoreissa on onnettomuuksien ehkäisemiseksi ja niiden seurausten rajoittamiseksi kehitetyt turvallisuusjärjestelmät. Suojarakennuksen tehtävänä on estää radioaktiivisten aineiden pääsy ympäristöön onnettomuustilanteessa.

Onnettomuuden eteneminen 
Jos reaktorin jäähdytys ei onnistu, niin polttoaine kuumenee jälkilämmön takia. Yli 1000 °C:een lämpötiloissa zirkoniumista tehdyt polttoainesauvojen suojakuoret alkavat reagoida kemiallisesti vesihöyryn kanssa. Reaktio tuottaa vetyä ja lämpöä, joka vaikeuttaa entisestään polttoaineen jäähdyttämistä. Mikäli polttoaineen lämpötila ylittää 2000 °C, reaktorisydän alkaa sulaa. Reaktorityypistä riippuen tähän kuluu vähintään tunti onnettomuuden alkutapahtumasta, todennäköisesti useita tunteja, jos primääripiirissä ei ole suurta vuotoa. Sulaminen tapahtuu todennäköisesti vaiheittain, koska sydämen alaosa on kylmempi kuin yläosa, joten alaspäin valuva sula materiaali jähmettyy ja sitten sulaa uudelleen jälkilämmön vaikutuksesta.

Vähitellen sydänsula valuu reaktorin paineastian pohjalle, ja se alkaa kuumentaa paineastian pohjaa. Joissain reaktoreissa paineastian pohjan ulkopintaa voidaan jäähdyttää vedellä ja siten estää paineastian sulaminen puhki. Loviisan reaktoreissa ulkopinnan jäähdytys hoituu itsestään vedellä, joka syntyy suojarakennuksen jäälauhduttimien sulamisesta. Jos ulkopuolinen jäähdytys ei onnistu, paineastian pohja sulaa puhki ja sydänsula purkautuu suojarakennukseen.

Sydämen sulamisonnettomuuden hallinnassa tärkein tehtävä on estää suojarakennuksen hajoaminen, koska silloin radioaktiivisia aineita pääsisi vapautumaan ympäristöön. Jos reaktorin paineastia puhkeaa, kun reaktorissa on korkea paine, suojarakennuksen paine voi nousta nopeasti niin suureksi, että suojarakennus vaurioituu. Sen takia primääripiirin paineenalennusventtiileistä pyritään tekemään niin luotettavia, että ne saataisiin avattua kaikissa onnettomuustilanteissa.

Mikäli suojarakennuksen lattialla on vettä paineastian puhjetessa, sydänsula valuu vesialtaaseen, jolloin voi syntyä ns. höyryräjähdys. Se tarkoittaa, että kuuma sydänsula pisaroituu, pisaroista siirtyy hyvin nopeasti paljon lämpöä veteen, ja veden kiehuessa syntyy lyhyessä ajassa suuri määrä höyryä. Tämä aiheuttaa muutaman millisekunnin painepiikin, joka voi hajottaa suojarakennuksen. Toisaalta sydänsulan valuminen vesialtaaseen jäähdyttää sydänsulaa tehokkaasti. Jos taas suojarakennuksessa ei ole jäähdytysvettä, niin kuuma sydänsula voi päästä kosketuksiin betonilattian ja -seinien kanssa. Tällöin betoni alkaa sulaa, ja sydänsula tunkeutuu betoniin ja saattaa vaarantaa suojarakennuksen eheyden.  Tästä käytetään leikkisää nimitystä Kiina-ilmiö. Uusissa reaktoreissa se pyritään estämään sydänsiepparin avulla.

Korkeissa lämpötiloissa zirkoniumista tehdyt polttoainesauvojen suojakuoret reagoivat kemiallisesti vesihöyryn kanssa. Reaktiossa syntyy vetyä, joka vapautuu suojarakennukseen. Jos vety pääsee sekoittumaan ilman kanssa, voi tapahtua vetypalo tai jopa -räjähdys, joka voisi rikkoa suojarakennuksen. Tämä pyritään estämään joko täyttämällä suojarakennus typellä, kuten Olkiluoto 1:llä ja 2:lla, jolloin hapen puuttuminen estää vetypalot, tai poistamalla vetyä rekombinaattoreilla.

Sydämen sulamisonnettomuuden aikana kuuma polttoaine kiehuttaa vettä ensin reaktorissa ja myöhemmin suojarakennuksessa. Syntyvä höyry kasvattaa vähitellen suojarakennuksen painetta. Jos painetta ei saada alennettua, suojarakennus voi lopulta rikkoutua ylipaineen takia, kuten kävi Fukushiman kakkosyksiköllä. Suojarakennuksen painetta pyritään alentamaan ruiskuttamalla sinne kylmää vettä spray-järjestelmällä tai päästämällä höyryä ulos suodattimien läpi.

Ydinpolttoaineen kuumentuessa siitä vapautuu radioaktiivisia fissiotuotteita. Helpoimmin vapautuvia aineita ovat ksenon, jodi ja cesium. Muiden fissiotuotteiden vapautuminen vaatii korkeampia lämpötiloja. Sydämen sulamisonnettomuuden aikana fissiotuotteita pääsee reaktorista suojarakennukseen. Hiukkasmuodossa olevat fissiotuotteet päätyvät vähitellen suojarakennuksen vesialtaisiin tai lattiapinnoille, mutta kaasumaiset fissiotuotteet pysyvät suojarakennuksen ilmatilassa. Jos suojarakennus rikkoutuu tai vuotaa, osa näistä fissiotuotteista voi päästä ympäristöön.

Todennäköisyys 
Siviilikäytössä olevissa ydinvoimaloissa on tapahtunut viisi sydämen sulamisonnettomuutta (Tšernobyl, Three Mile Island ja kolme reaktoria Fukushimassa). Ydinvoiman historiassa on marraskuuhun 2022 mennessä kertynyt 19 354 reaktorivuotta. Siten historiallisesti laskennallinen todennäköisyys sydämen sulamisonnettomuudelle on ollut yksi tapaus 3 900 reaktorinkäyttövuotta kohden. Onnettomuuksien jälkeen ydinvoiman turvallisuutta on pyritty parantamaan onnettomuuksiin johtaneiden syiden riskiä pienentäen.  Todennäköisyyspohjaisten turvallisuusanalyysien mukaan arviot sydämen sulamisonnettomuuden todennäköisyydestä vaihtelevat yleensä välillä kerran 1 000 – 100 000 vuodessa. Suomessa Säteilyturvakeskus vaatii, että uudella reaktorilla sydämen sulamisonnettomuuden todennäköisyys täytyy olla pienempi kuin kerran 100 000 vuodessa. Vanhoille reaktoreille sallitaan heikompi turvallisuustaso. Vuoden 2021 analyysien mukaan laskennallinen sydämen sulamisonnettomuuden todennäköisyys on Loviisa 1:llä kerran 160 000 vuodessa, Olkiluoto 1:llä kerran 260 000 vuodessa ja Olkiluoto 3:lla kerran 590 000 vuodessa.

Tunnettuja onnettomuuksia 
Ensimmäinen energiantuotantoon tarkoitetussa ydinvoimalassa sattunut sydämen sulamisonnettomuus tapahtui Three Mile Islandin ydinvoimalassa Yhdysvalloissa vuonna 1979, kun noin kolmasosa ydinreaktorin polttoaineesta suli usean yhtäaikaisen vian ja operaattorien virheiden seurauksena. Onnettomuus ei aiheuttanut vahinkoa ihmisille eikä ympäristölle, koska suojarakennus pysyi ehjänä. Reaktori kuitenkin vaurioitui korjauskelvottomaksi.

Historian vakavin ydinvoimalaonnettomuus tapahtui keväällä 1986 Ukrainan sosialistisen neuvostotasavallan – nykyisen Ukrainan – alueella. Tšernobylin voimalaitoksen nelosreaktorissa tapahtunut onnettomuus johtui RBMK-tyyppisen reaktorin turvallisuuspuutteista ja turvallisuusmääräysten vastaisesta käytöstä. Onnettomuudesta aiheutui suuri radioaktiivinen päästö, koska reaktorin ympärillä ei ollut suojarakennusta ja koska pitkään jatkunut tulipalo levitti radioaktiivisia aineita ilmakehään. Useita kymmeniä työntekijöitä kuoli säteilysairauteen. Yli sata tuhatta ihmistä evakuoitiin. Laskennallisesti on arvioitu, että onnettomuus aiheuttaisi noin neljä tuhatta ylimääräistä syöpäkuolemaa tulevina vuosikymmeninä.

Maaliskuussa 2011 Japanissa Fukushima I -voimalassa tapahtui sarja vakavia onnettomuuksia, joissa kolme reaktorisydäntä suli lähes täysin. Onnettomuudet saivat alkunsa 11. maaliskuuta sattuneesta maanjäristyksestä, jota seurasi tsunami. Reaktorien hätäpysäytys toimi maanjäristyksessä suunnitellusti, mutta tsunami tuhosi sähkönsyötön ja vaurioitti varavoimageneraattoreita, mistä seurasi reaktorien jäähdytyksen estyminen ja reaktorisydämen ylikuumeneminen. Suojarakennukset eivät kestäneet onnettomuutta. Radioaktiiviset päästöt olivat noin kymmenesosa Tšernobylin päästöistä. Ihmisten saamat säteilyannokset jäivät vähäisiksi, sillä lähialueelta evakuoitiin noin 170 000 ihmistä.

Muita tapahtuneita onnettomuuksia
Sydämen osittainen sulaminen on ollut osana ydinreaktorissa sattunutta onnettomuutta seuraavissa tapauksissa:
Chalk River Nuclear Laboratories, Chalk River, Ontario, Kanada, 12. joulukuuta 1952
BORAX-I, Idaho Falls, Idaho, Yhdysvallat, 22. heinäkuuta 1954
Experimental Breeder Reactor I, Acro, Idaho, Yhdysvallat, 29. marraskuuta 1955
Sodium Reactor Experiment – Santa Susana Field Laboratory, Simi Hills, Kalifornia, Yhdysvallat, 26. heinäkuuta 1959
SL-1, Idaho Falls, Idaho, Yhdysvallat, 3. tammikuuta 1961
SNAP8 Experimental Reactor – Santa Susana Field Laboratory, Simi Hills, Kalifornia, Yhdysvallat, 1964
NS Lenin, helmikuu 1965
Enrico Fermi Nuclear Generating Station, Frenchtown Charter Township, Michigan, Yhdysvallat, 5. lokakuuta 1966
NS Lenin, 1966–1967
SNAP8 Developmental Reactor – Santa Susana Field Laboratory, Simi Hills, Kalifornia, Yhdysvallat, 1969

Sydämen sulamisonnettomuus populaarikulttuurissa
Populaarikulttuurissa sydämen sulamisonnettomuudesta käytetään joskus nimitystä Kiina-ilmiö. Nimityksen taustalla on ajatus, että sula ydinpolttoaine sulattaisi reiän reaktoriin sekä voimalaitosrakennuksen lattiaan ja porautuisi aina Kiinaan asti. Tämä on onnettomuuden mahdollisten vaikutusten liioittelua. Lisäksi painovoiman seurauksena mikään maan sisään porautuva aines ei teoriassakaan voisi vajota maapallon keskipistettä syvemmälle. Termin teki tunnetuksi vuoden 1979 samanniminen kirja ja sen mukaan kuvattu elokuva. Kuvitteellinen onnettomuus on lähes identtinen Harrisburgin onnettomuuden kanssa, joka tapahtui vain pari viikkoa elokuvan ensi-illan jälkeen.

Lähteet 

Ydinonnettomuudet