Zemětřesení v Japonsku a jeho dopady na infrastrukturu s koncentrací na jadernou energetiku

Úvod

Na základě současných poznatků zemětřesení jsou krátkodobé pohyby zemského povrchu vyvolané náhlým uvolněním mechanické energie nahromaděné v zemském nitru. Zpravidla se vyskytují náhle. Silné otřesy se vyskytují jen zřídka a značně nepravidelně, což znamená, že je nelze předvídat. Trvají několik sekund až desítek sekund. Silné otřesy mají předtřesy (otřesy před hlavním, tj. největším otřesem) a dotřesy (otřesy následující po hlavním otřesu). Dotřesy u velmi silných zemětřesení trvají měsíce až roky. Silné zemětřesení zpravidla postihuje rozsáhlá území, přičemž dopady zemětřesení, která působí škody na chráněných zájmech lidí, se mohou omezit jen na nejbližší okolí epicentra nebo mohou postihnout velkou oblast, v závislosti na velikosti a hloubce ohniska zemětřesení. Při velkém zemětřesení je zničeno velké procento objektů, dochází ke vzniku povodní, požárů a sesuvů. Může dojít a také zpravidla dochází k poruchám a selháním technologických celků včetně chemických a jaderných zařízení v blízkosti ohniska zemětřesení. Významné doprovodné jevy jsou sesuvy, protržení přehrad, ztekucení podloží, jakmile jsou v území technologie s nebezpečnými látkami, tak doprovodné jevy jsou: požáry, exploze a kontaminace složek životního prostředí. Mnoho lidí je zabito, zraněno, ztraceno a velký počet lidí přichází o domovy. Je nebezpečí vzniku epidemií následkem znečištěné pitné vody a neodklízených mrtvých těl. Obyvatelstvo zpravidla zůstává na místě, silniční, železniční a letecká doprava je přerušena, což je příčinou potíží při poskytování pomoci obětem, zásobování a při obnově. Úroda zůstává prakticky nepoškozena.

Velikost zemětřesení se měří pomocí: intenzity I (12 stupňové stupnice jsou MSK-64, MCS, MM; japonská 7 stupňová je JMA); magnituda M (hodnoty dosahují až 9; novináři používají označení Richterova stupnice); energie E (specificky energie nesené seismickými vlnami Es); posunutí, rychlost a zrychlení (nejčastěji se používá zrychlení, které se srovnává s gravitačním zrychlením – např. 0.1 g, 4 g atd.); a ohniskových parametrů, kterými jsou seismický moment (N.m), stress drop (MPa), rozměr ohniska (m), posunutí po zlomu (m). Ze seismického momentu se počítá tzv. momentové magnitudo Mw, které je větší než M. Současné poznání ukazuje, že pro úplnou charakteristiku zemětřesení musí být 2 veličiny; např. magnitudo a stress drop.

Ztekucení podloží je ztráta soudržnosti hornin podloží. Přesněji: přechod podloží z pevného do tekutého stavu zvýšením pórového tlaku vody a snížením efektivního tlaku, a následnou ztrátou pevnosti. Může se vyskytnout na povrchu, pod hladinou nebo uvnitř nezpevněných souvrství, většinou po větší iniciační události (zemětřesení, vibrace, působení sesuvu, pohyby podzemní vody).

Tsunami jsou vodní vlny vyvolané tektonickými pohyby litosférických desek, které na moři nejsou pozorovatelné, u pobřeží se však zvedne amplituda (rychlost na volném moři 700 km/ hod.; vlnová délka cca 150 m). Díky velmi dlouhé vlnové délce na hlubokém moři může tsunami putovat tisíce kilometrů bez větších ztrát energie. Příchod tsunami k pobřeží se dá v poslední chvíli dobře odhadnout podle jevu, kdy před příchodem vlny voda náhle ustoupí až o stovky metrů a odhalí jindy zaplavené mořské dno. Na mělčině frekvence zůstane stejná, vlnová délka se rychle sníží, naroste amplituda a tím se vytvoří hrozné hřebeny, což způsobí, že ničivost tsunami je větší než u normální záplavy. Opravdu registrovatelnou vlnu vyvolá až zemětřesení o M = 6.5. Otřesy s M větším nebo rovným 7.3 způsobí tsunami vždy. K síle tsunami přispívá i výška vodního sloupce, čím vyšší je, tím je tsunami rychlejší a ve výsledku silnější. Převážná většina vln tsunami připadá na Tichý oceán. V Evropě je nejznámější tsunami z r. 1755 při lisabonském zemětřesení; poslední bylo 16 října1979 v Nice a při něm 23 lidí zemřelo.

Výška vlny tsunami při vstupu na pobřeží se označuje jako tzv. run-up a počítá se od střední hladiny moře v daném místě. První vlna tsunami ze série vln nebývá ale tou největší a nejsilnější. Intervaly mezi následnými vlnami mohou být 10 až 45 minut a vlny se navíc mohou odrážet od okolních pobřežních útvarů (poloostrovy, ostrůvky) a několikrát se vracet. Vliv na výšku a rychlost vlny tsunami na zasaženém pobřeží má vertikální i horizontální tvar pobřeží. Platí pravidlo, že strmější břeh vlnu více vyzdvihne a méně zpomalí, ale vlna má tendenci se tříštit, naopak mírnější břeh vlnu více zpomalí delším třením, ale vlna může dojít dál do vnitrozemí. Náchylnější k větší záplavě jsou také různé sevřené zátoky a zálivy spíše než rovná pobřeží. Škody tsunami páchá také při návratu vody zpět do moře, včetně odnesení obyvatel na volné moře. Opět platí pravidlo, čím strmější břeh, tím rychlejší ústup vody.

Příznaky tsunami jsou: pocítěné silné zemětřesení; velká množství plynu mohou bublat na vodě - moře se vaří; voda na vlnách může být neobvykle horká; voda může páchnout po shnilých vejcích (sirovodík) nebo benzínu nebo oleji; voda může bodat kůži; zvukové efekty - burácející hluk jako od tryskového letadla; nebo zvuk podobný letu helikoptéry nebo pískání; moře může ustupovat do značné vzdálenosti; a záblesk rudého světla blízko obzoru. Japonsko uskutečnilo rozsáhlý program a postavilo na pobřeží zdi proti tsunami 4.5 m vysoké před obydlenými pobřežními oblastmi. Postavila se vrata a kanály na přesměrování vln tsunami.

Zemětřesení a tsunami

Dne 11. března 2011 v 14:46:23 místního času (5h46m UTC, 6h46m středoevropského času) postihlo ostrov Honšú silné zemětřesení. Jeho epicentrum leželo v moři, východně 130 km od města Sendai, tj. v Pacifickém pásu, který je charakterizován specifickými zlomovými strukturami. Parametry zemětřesení: doba trvání 6 minut; velikost M = 8.9, Mw = 9, (hloubka ohniska) h = 24 km, JMA = 6; zrychlení 2.99 g; 7 předtřesů 7 (4 měly M >6); dosud dotřesů několik tisíc (mohou trvat až 20 let), maximální dotřes (až 7.8); již bylo pocítěno 63 otřesů s Mw > 6.3. Tsunami mělo průměrnou amplitudu 10 m, maximum 38m. Dorazilo na východní pobřeží Japonska 28 minut po zemětřesení. Varovací systém na tsunami byl spuštěn.

Zemětřesení ovlivnilo rozložení hmoty v zemské kůře, vychýlilo zemskou osu a zkrátilo den o 1.8 milisekundy. Odhad délky zlomu, po které došlo k posunu zemských vrstev je 500 km, tj. jde od Iwate po Ibaraki a odhad šířky zlomového pásu je 200 km.

Dopady zemětřesení a tsunami: 14 175 nezvěstných; 13.778 úmrtí; zraněných 4916; odhad ekonomických ztrát činí 700 mld. USD. Nejvíce škod způsobilo tsunami. V Japonsku se jedná o největší katastrofu od 2. světové války.

Bezpečnost jaderných elektráren vůči zemětřesení a tsunami

Na základě znalostí a zkušeností shrnutých v bezpečnostních návodech MAAE jsou principy bezpečnosti jaderných elektráren zajištěny tím, že jsou 3 kategorie objektů, infrastruktur, komponent a zařízení, přičemž položky příslušné do kategorie 1 mají odolnost vůči pohromě 10000 leté; do 2 odolnost vůči pohromě 1000 leté; a do 3 odolnost vůči pohromě 100 leté. V komplexu jaderné elektrárny jsou bezpečnostní systémy, které jsou zálohované, mají různé principy a různé rozmístění v prostoru. Pozornost se věnuje především zajištění chlazení a energie na vlastní spotřebu za všech podmínek, tj. i těch kritických. V rámci nouzového a krizového plánování jsou připraveny scénáře odezvy, tj. jsou i scénáře, které ukazují, co dělat při vybraných nadprojektových haváriích v jaderném zařízení.

Dle údajů MAAE při sledovaném silném zemětřesení ze dne 11.3.2011 všechny čtyři jaderné elektrárny (Fukushima I, Fukushima II, Onagawa, Tokai), provozované společností Tokyo Electric Power Company's (Tepco's), které leží na východním pobřeží blízko epicentra, bez problémů odstavily po zaregistrování silného otřesu. Nejblíže epicentru jaderná elektrárna Fukushima – Dai-ichi má 6 varných reaktorů, ve třetím se používá MOX (směs izotopů plutonia a uranu) měla v době zemětřesení v provozu bloky 1 – 3.

S ohledem na zadávací podmínky všechny sledované jaderné elektrárny byly konstruovány na silné zemětřesení 7 stupňů JMA a na 10000 leté tsunami, jehož očekávaná amplituda byla 6.5 m. Z bezpečnostních důvodů byla postavena kolem předmětných jaderných elektráren zeď vyšší, a to 10m. Předmětné tsunami ze dne 11.3.2011 mělo však amplitudu 18 m.

Problémy jaderné elektrárny Fukushima – Dai-ichi

Během zemětřesení byly řídící tyče automaticky zasunuty do reaktoru u všech tří běžících bloků a tím zastavily probíhající řetězové reakce. Ve stejném okamžiku bylo zastaveno napájení z rozvodné sítě, diesel generátory a pomocné systémy pro chlazení reaktorů byly normálně nastartovány a zajistily dočasné chlazení reaktorů. V okamžiku odstavení reaktoru velikost zbytkového tepelného výkonu vydělovaného v aktivní zóně měla hodnotu okolo 7 % hodnoty nominálního tepelného výkonu reaktoru.

Úder 18 metrové vlny tsunami v místě jaderné elektrárny půl hodiny po zemětřesení způsobil porušení odvodu tepla nezbytného k dlouhodobému chlazení reaktorů. Chlazení reaktorů tak nadále záviselo na vyvařování dostupné vody v reaktorové nádobě a ostatních zásobnících jaderné elektrárny. Pára produkovaná uvnitř reaktorové nádoby byla kondenzována v kondenzační nádobě, jejíž teplota a tlak začaly pomalu růst, a proto o několik desítek hodin později bylo rozhodnuto odpustit páru z nádoby s cílem snížení tlaku. Bohužel pára již byla smíchána s vodíkem, který se utvořil při oxidaci přehřátého pokrytí palivových tyčí. Tento vodík, odpuštěný do horní části reaktorové budovy, explodoval po promísení se vzduchem.

Přítomnost vodíku a těkavých štěpných produktů, jako jódu a cesia, v odpouštěné páře doložila, že teploty paliva jsou takové, že může dojít k těžkému poškození pokrytí paliva v reaktorové nádobě. Proto došlo k rozhodnutí o zahájení dodávek mořské vody do reaktorů, což bylo nejzazším opatřením k chlazení reaktorů, zajištění integrity reaktorové i kontejnmentové nádoby a k zadržení radioaktivity. Procedura se zdá být úspěšnou na reaktorech l a 3. Ještě začátkem dubna byly obavy z úniků z hermetických prostor kontejnmentu reaktoru 2, ale nebyly potvrzeny.

Dalším zásadním následkem tsunami byla ztráta vody ze skladovacích bazénů vyhořelého paliva. Tím došlo k nedostatečnému chlazení palivových tyčí vyhořelého paliva a k jejich styku se vzduchem. To vyústilo v nahřívání vyhořelého paliva s těžkým poškozením pokrytí palivových tyčí, vyrobených ze zirkoniové slitiny, a následnému uniku části obsahu těkavých štěpných produktů do atmosféry a způsobilo vysokou úroveň radiace, která byla měřena v okolí bloku 4 (bazén). Obyvatelstvo z okolí bylo proto včas evakuováno a nezdá se, že by někdo obdržel dávku, jež by mohla způsobit zdravotní následky.

Velikost havárie postupně vzrostla z 5 na 7 stupeň mezinárodní stupnice MAAE.

Postup řešení na jaderné elektrárně Fukushima – Dai-ichi

Je stále ještě předčasné hodnotit možné následky předmětné havárie. U reaktoru 1, 2 a 3 množství uniklých radioaktivních látek nadále závisí na zadržení v hermetické nádobě a doufejme, že probíhající opatření na chlazení aktivní zóny budou úspěšná s konečnou platností i díky skutečnosti, že tepelný výkon produkovaný v aktivní zóně klesá každým dnem. Výsledek rovněž závisí na schopnosti personálu znovu zaplnit a chladit nádrže obsahující vyhořelé palivo.

Jistým způsobem lze pozorovat boj o záchranu investic. Plán společnosti TEPCO je: do 3 měsíců zastavit úniky radioaktivity; do 6 měsíců bezpečně odstavit reaktory a zchladit bazény vyhořelého paliva. Japonská vláda asi nedovolí TEPCO dále provozovat jadernou elektrárnu Fukushima a bude udělán sarkofág.

Poučení

Autorka se může kvalifikovaně vyjádřit jen k oblasti, ve které odborně pracuje; a tou je příprava seismických zadávacích podmínek. Návody MAAE pro seismické hodnocení se postupně vyvíjely následovně:

1978 – zavedení – deterministické, nejméně příznivé, aplikace teorie extrémů
1992 – pravděpodobnostní hodnocení, varianty, oceňování nejistot a neurčitostí v bezpečnostní zprávě se hodnotí i odolnost kabelů
2008 – nejistoty, neurčitost, chování blízkých zlomů (jsou tak zohledněny poznatky získané na jaderné elektrárně Kashizawaki Kariwa při silném zemětřesení Niigataken Chuetsu-oki (NCO), které zasáhlo elektrárnu dne 16.7.2007, kdy došlo ke ztrátě dat a ke zjištění, že i zásobníky s požární vodou musí být v 1. kategorii), v bezpečnostní zprávě se proto hodnotí i odolnost IT
2010 - momentové magnitudo, heuristiky.

Je nutné zdůraznit, že velikost vlny tsunami, která udeřila na Japonsko, byla vyšší než velikost, která byla v projektu jaderné elektrárny předpokládána a kterou by přečkala bez následků. Proto bude úkolem seismologů a vědců studujících chování Země stanovit, zda pravděpodobnost výskytu takto extrémní události byla opravdu podceněna při projektování nebo zda tyto události jsou natolik výjimečné, že zůstatkové riziko může být nadále pokládáno za akceptovatelné. Jestliže se ukáže, že zůstatkové riziko je příliš vysoké, bude nutno upravit sestavení seismických a dalších zadávacích podmínek, tj. při hodnocení pohrom a s nimi spojených rizik vybírat řešení optimální také s ohledem na možné kritické a extrémní stavy, tj. zvažovat více nadprojektových havárií a dát jim větší váhu. To se odrazí i v dalších etapách, tj. v: projektování; výstavbě; provozu; a v požadavcích na bezpečné odstavení a bezpečnostní systémy (zvýšit na 4 x 100%).

Nutno asi připustit větší pravděpodobnost havárie s tavením aktivní zóny (LOCA) a dělat opatření již od konceptu a návrhu. K tomu již přistoupili inženýři po Černobylu; např. Rusové u všech nových projektů VVER mají od r. 1989 objekt pro zachycení roztaveného paliva z aktivní zóny (zabezpečený prostor pod základovou deskou).

doc. RNDr. Dana Procházková, DrSc.

zpět na úvodní stránku