Do nitra fukušimských reaktorů – díky mionům

Od havárie v jaderné elektrárně Fukušima I uběhly už čtyři roky. V řadě oblastí se podařilo dosáhnout při likvidaci následků havárie značných pokroků (současný stav je podrobně popsán v článku na Technetu). A dlohodobý vývoj sleduje cyklus článků na serveru Osel (poslední je zde).

Kam až se palivo dostalo?

Zatím se však pořád málo ví o stavu zničených aktivních zón reaktorů u prvních tří bloků Fukušimy I. Stále je otázkou, do jaké míry se roztavily a kolik roztaveného paliva skapalo na dno tlakové nádoby. Není dokonce vyloučeno, že část paliva se protavila spodní částí reaktorové nádoby a dostala se na betonové dno kontejnmentu.

Evidence přítomnosti ztuhlé taveniny se zatím nepodařilo prokázat v žádném z bloků. Naopak, přístroj pro měření radiace, který se podařilo prostrčit do vnitřních prostor primárního kontejnmentu, naměřil nejvyšší aktivitu ve výšce, kde je umístěna spodní část tlakové nádoby reaktoru. Aktivita pak rychle klesala, když se přístroj pohyboval dolů a vzdaloval od dna tlakové nádoby – nejnižší byla v blízkosti hladiny vody na dně kontejnmentu.

To by mohlo naznačovat, že dominantní část roztaveného paliva zůstala v tlakové nádobě. I když stupeň roztavení aktivní zóny by měl být u tohoto reaktoru nejvyšší a je hodně pravděpodobné, že se značná část taveniny mohla dostat až na dno kontejnmentu. I z toho je vidět, že každá nová informace o stavu uvnitř konejnmentu je velice důležitá.

Blízko rychlosti světla

Velice zajímavou možností, jak se podívat do nitra kontejnmentu i tlakové nádoby, je tomografie s využitím mionů zrozených v interakci kosmického záření. Miony vznikají v rozpadech pí mezonů, které se produkují ve srážkách protonů i těžších jader kosmického záření s extrémními energiemi s jádry v atmosféře. Při těchto kolizích se jádra tříští a vyražené protony a neutrony i produkované pí mezony mohou tříštit i další jádra v atmosféře. Rozvíjí se tak sprška neutronů, protonů a pí mezonů. Mezony se pak mohou rozpadat za vzniku mionů s velmi vysokou energií.

Propátrat nitro reaktoru je možné pomocí kosmických mionů.

Tyto částice, které se pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla, pak interagují jen velice slabě s materiálem. Dopadají až na zemský povrch v počtu zhruba 170 na čtvereční metr za vteřinu a i hluboko pod něj – až do hloubek stovek metrů. Miony kosmického záření se tak třeba využívají ke kalibraci detekčních systémů na urychlovači LHC, které jsou v hloubce přes 50 metrů. Jsou také důvodem, proč nás při příliš blízkém výbuchu supernovy nezachrání ani kryt stovky metrů pod povrchem (podrobněji v tomto článku).

A právě tato pronikavost se dá použít ke zkoumání aktivní zóny reaktoru ukryté pod tlustými vrstvami betonu a dalších materiálů. Využívá se toho, že interakce mionů je mnohem vyšší pro těžká jádra než pro lehká, a navíc se intenzivnější interakcí projeví i místa s vysokou hustotou. Pokud budeme detekovat kosmické miony procházející budovou reaktoru a kontejnmentem, projeví se oblast s uranem, který je tím nejtěžším jádrem a jehož hustota je velmi vysoká, intenzivnější interakcí a změnou směru i absorpcí mionů v daném prostoru. Prostě si danou oblast prosvítíme kosmickými miony a dostaneme její „mionový“ snímek. Pokud to navíc uděláme z více směrů, dostaneme analýzou snímků tomografii příslušných konstrukcí a jejich třírozměrný obrázek.

Než se začne s likvidací

A přesně toto se připravuje v havarované elektrárně Fukušima I. Konkrétní metodu a způsob provedení navrhli vědci z laboratoře KEK, která je jedním z nejznámějších pracovišť částicové fyziky v Japonsku. Známá je právě studiem mezonů a také třeba hyperjader nebo exotických kvarkových systémů. Metoda se testovala i na jiných reaktorech. Již dříve se také kosmické miony využívaly například při průzkumu vnitřních prostor v pyramidách v Egyptě i v Jižní Americe.

V únoru byly instalovány dva systémy pro detekci mionů u prvního bloku. První 9. února na severní straně reaktorové budovy a poté i druhý na západní straně. V druhé polovině února tak mohly být zahájeny testy soustavy. Během března se předpokládá intenzivní měření a na konci tohoto měsíce by mohly být známy první výsledky.

Instalace prvního mionového detekčního systému u prvního bloku.

Druhá odlišná soustava by se měla instalovat v březnu u druhého bloku. Její dvojici detektorových systémů vyrobila na zakázku firmy Toshiba americká společnost DSIC (Decision Sciences International Corporation). Prozkoumají se tak vnitřní prostory i tohoto bloku. Citlivost a rozlišovací schopnost metody je omezená. Pokud je tak aktivní zóna úplně roztavená a palivo se rozprostřelo v rozsáhlejším prostoru po dně kontejnmentu, bude se jeho přesné rozmístění určovat jen těžko.

Co by mělo jít určit spolehlivě, je stav aktivní zóny. Pokud je jen slabě poškozená, mělo by ji být vidět spolehlivě. A z toho, kolik jí chybí, bude možné odhadnout stupeň jejích poškození. Již v létě by tak mohla být daleko konkrétnější představa o stavu jaderného paliva ve zničených reaktorech, což je nezbytný předpoklad pro začátek jejich likvidace.