Seitsemän vuotta Fukushimasta

Jaakko Leppänen – 11.3.2018

Japanin itärannikolla tapahtui perjantai-iltapäivänä 11. maaliskuuta 2011 yksi mittaushistorian voimakkaimmista maanjäristyksistä, joka aiheutti suurta vahinkoa rakennuksille ja infrastruktuurille. Vaikutukset tuntuivat myös 200 kilometriä Tokiosta pohjoiseen sijaitsevalla Fukushima Daiichin ydinvoimalaitoksella, jonka reaktorit pysähtyivät automaattisesti kun järistys vavisutti rakennuksia ja yhteys ulkoiseen sähköverkkoon katkesi. Alasajo eteni aluksi ongelmitta, ja sähköjärjestelmät siirtyivät käyttämään varavoimantuotantoon tarkoitettuja diesel-generaattoreita. Laitoshenkilökunta ryhtyi tarkastamaan vaurioita ja toteuttamaan maanjäristysten varalta laadittua pelastussuunnitelmaa. Tuntia myöhemmin laitosalueelle iski kuitenkin lähes 15 metriä korkea tsunamiaalto, joka pysäytti myös varavoimadieselit, jättäen reaktorien jäähdytys-, instrumentointi- ja ohjausjärjestelmät kokonaan ilman sähköä. Laitoksella julistettiin hätätila, ja rutiininomaisena käyttöhäiriönä alkanut tilanne eskaloitui pian suunnitteluperusteet ylittäväksi vakavaksi ydinvoimalaonnettomuudeksi.

Fukushimasta on kirjoitettu paljon onnettomuudesta kuluneen seitsemän vuoden aikana, ja aiheesta kiinnostuneen on helppo löytää tietoa mitä erilaisimmista lähteistä. Ongelmaksi muodostuukin lähinnä tiedon alkuperän ja luotettavuuden arviointi. Tämä ongelma juontaa osittain juurensa siitä, että Fukushima-uutisoinnin ollessa kuumimmillaan tapahtumien kulku ei ollut kaikilta osin selvä edes alan asiantuntijoille. Tilanne eteni samanaikaisesti kolmella laitosyksiköllä, ja esimerkiksi ensi käden mittaustietoa reaktoreiden tilasta oli varsin hajanaisesti saatavilla. Moni onnettomuuden aikoihin laadittu asiantuntijaraporttikin perustuu pitkälti puutteellisiin lähtötietoihin. Näitä taustoja vasten ei ole lainkaan yllättävää, että Fukushima-aiheisissa uutisissa ja keskusteluissa törmätään edelleen moniin seitsemän vuoden takaa peräisin oleviin käsityksiin, jotka ovat sittemmin osoittautuneet virheellisiksi.

Yritän tässä kirjoituksessa luoda johdonmukaisen kokonaiskuvan siitä, mitä Fukushiman ydinvoimalaonnettomuudessa oman käsitykseni mukaan tapahtui. Aivan kaikkia yksityiskohtia ei käydä läpi, mutta olen edellisten kirjoitusten tapaan lisännyt tekstin sekaan joitakin tarkentavia alaviitteitä. Kirjoitus keskittyy onnettomuuden ensimmäiseen viikkoon, eli tapahtumien etenemiseen sähkökatkon aiheuttaneesta tsunamista siihen, että tilanne saatiin uudelleen hallintaan. Onnettomuuden seurausten ja ympäristövaikutusten käsittely jää sen sijaan toiseen kertaan. Kuvaus ei etene täysin kronologisesti, mutta olennaisimmat tapahtumat on koottu aikajärjestyksessä erilliseen taulukkoon. Lähteenä olen käyttänyt pääasiassa IAEA:n monikansallisen asiantuntijaryhmän vuonna 2015 laatimaa yhteenvetoraporttia, mutta jonkin verran myös muita lähteitä, mukaan lukien omia muistiinpanojani onnettomuuden ajalta.

Fukushima Daiichin ydinvoimalaitos koostui kuudesta reaktoriyksiköstä, joista ensimmäinen otettiin käyttöön vuonna 1971 ja yksiköt 2-6 vuosina 1973-1979. Reaktorit olivat tyypiltään amerikkalaisen General Electricin valmistamia kiehutusvesireaktoreita, sähköteholtaan 439-1067 megawattia. Maanjäristyksen iskiessä yksiköt 1-3 olivat toiminnassa, ja yksiköt 4-6 ajettu alas vuosihuoltoa varten. Nelosyksikön reaktori oli tyhjennetty kokonaan polttoaineesta.ⁱ

Kuva 1: Ilmakuva Fukushima Daiichin ydinvoimalaitosalueesta ennen onnettomuutta. Laitosyksiköiden 4, 3, 2 ja 1 reaktorirakennukset näkyvät kuvassa etualalla, ja yksiköt 5 ja 6 kauempana oikealla. Turbiinilaitokset on sijoitettu reaktorirakennusten eteen. Suurin osa varavoimantuotantoon tarkoitetuista dieselgeneraattoreista ja tasavirtajärjestelmien akkuvarmistuksista sijaitsi rakennusten kellaritiloissa. Mereltä vyörynyt lähes 15 metriä korkea tsunamiaalto tulvitti turbiini- ja reaktorirakennusten alimmat kerrokset, ja aiheutti suurta vahinkoa laitosalueella.

Kiehutusvesireaktoreissa fissiolämmityksen tuottama höyry johdetaan suoraan turbiineille, jotka pyörittävät sähköä tuottavaa generaattoria. Turbiinien läpi kuljettuaan höyry tiivistyy lauhduttimessa vedeksi, minkä jälkeen se palautetaan syöttövesipumpuilla takaisin reaktoriin. Termodynaamisen hyötysuhteen maksimoimiseksi reaktori toimii korkeassa, noin 300 asteen lämpötilassa. Tämä edellyttää käyttöpaineen nostamista 7 megapascalin tienoille.ⁱⁱ Reaktori ja jäähdytysjärjestelmän pääkomponentit on suljettu kaasutiiviin suojarakennuksen sisälle. Suojarakennustoiminnon tarkoitus on viimeisenä vapautumisesteenä pysäyttää vaurioituneesta ydinpolttoaineesta vapautuneen radioaktiivisen päästön kulkeutuminen ympäristöön.

Kaikille kevytvesireaktoreille on yhteistä se, että korkeassa paineessa ja lämpötilassa virtaavan jäähdytteen faasimuutokseen on sitoutunut paljon energiaa. Tämä vaikuttaa paitsi reaktorin toimintaan, myös sen alasajoon ja suojarakennuksen mitoitukseen. Reaktorin käyttöpaineen laskeminen normaalin ilmanpaineen tasolle edellyttää sitä, että suuri määrä lämpöä saadaan siirrettyä jäähdytyskierrosta ulos. Suunnitellussa alasajotilanteessa jäähdytykseen käytetään turbiinin lauhdutinta, joka siirtää energian reaktorin ja suojarakennuksen sisältä lämmönvaihtimien kautta lopullisena lämpönieluna toimivaan mereen.

Fukushimassa maanjäristyksen laukaisema automaattipysäytys aiheutti kuitenkin varotoimenpiteenä myös suojarakennuksen eristyksen, joka tarkoittaa sitä, että reaktorilta turbiinille johtavien höyrylinjojen venttiilit sulkeutuvat. Tällaisessa tilanteessa paineistettu jäähdytyskierto jää eristyksiin suojarakennuksen sisälle, ja lämmönpoistoon käytetään muita järjestelmiä. Reaktorin ylipaineistumisen estämiseksi jäähdytyspiiristä voidaan laskea höyryä suojarakennuksessa olevaan lauhdutusaltaaseen, jonka läpi kulkiessaan se tiivistyy takaisin vedeksi. Fukushiman laitostyypissä lauhdutusallas on toruksen muotoinen kammio, joka kiertää varsinaista betonikuorta (kuva 2). Reaktorin vedenpinnankorkeutta ylläpidetään syöttämällä kiertoon lisää vettä. Koska lämpöä siirtyy reaktorista lauhdutusaltaaseen, myös suojarakennuksen jäähdytyksestä on pystyttävä huolehtimaan jotta paine ja lämpötila saadaan pidettyä rakenteiden kestävyyden sallimissa rajoissa.

Kuva 2: Kaaviokuva Fukushimassa käytetyn kiehutusvesireaktorityypin suojarakennuksesta. Reaktori on sijoitettu teräsvuorauksella vahvistetun kaasutiiviin betonikuoren sisälle. Reaktorin ylipaineistuessa höyryä voidaan laskea suojarakennusta kiertävään toruksen muotoiseen lauhdutusaltaaseen, jossa se tiivistyy takaisin vedeksi. Reaktorihalli sijaitsee suojarakennuksen yläpuolella, pitäen sisällään esimerkiksi käytetyn polttoaineen varastoaltaan. Kuvaan ei ole piirretty turbiinin höyrylinjojen läpivientejä, reaktorin ja suojarakennuksen jäähdytysjärjestelmiä, ulkopuolisia palovesilinjoja, eikä suojarakennuksen paineenalennukseen tarkoitettuja ulospuhalluslinjoja.

Kerroin aikaisemmin reaktoriturvallisuuden perusteita käsittelevässä kirjoituksessa että merkittävin ydinpolttoaineen eheyttä uhkaava tekijä on sen ylikuumeneminen, joka voi pahimmassa tapauksessa johtaa koko reaktorisydämen sulamiseen. Jäähdytyksen tekniset haasteet puolestaan liittyvät polttoaineen tuottamaan jälkilämpöön, joka on peräisin lyhytikäisten isotooppien radioaktiivisesta hajoamisesta. Reaktorin fissioteho saadaan tarvittaessa nopeasti alas, mutta jälkilämpö jää tasolle joka riittää sulattamaan polttoaineen jos sydän pääsee kiehumaan kuivaksi. Edellä kuvatussa alasajotilanteessa ei siis ole kyse ainoastaan jäähdytteen faasimuutokseen sitoutuneen lämpöenergian poistamisesta, vaan myös siitä, että reaktori tuottaa energiaa vielä fissiotehon sammuttamisen jälkeen. Polttoainevaurioiden välttämiseksi sydämen vesikiertoa on pystyttävä ylläpitämään myös silloin, kun reaktori on eristetty suojarakennuksen sisälle.

Fukushimassa toiminnassa olleet reaktorit sammutettiin onnistuneesti maanjäristyksen iskiessä laitosalueelle, eivätkä ne tämän jälkeen tuottaneet enää lainkaan fissiotehoa. Jälkilämpöä vapautui kuitenkin runsaasti vielä siinä vaiheessa kun tsunamiaalto tuhosi varavoimadieselit, ja turvallisuuden kannalta kriittiset jäähdytysjärjestelmät jäivät kokonaan ilman sähköä. Radioaktiivinen hajoaminen lämmitti ykkösreaktorin polttoainetta noin 22 megawatin teholla, ja kooltaan suuremmissa kakkos- ja kolmosreaktoreissa jälkilämpöä vapautui puolet enemmän. Aikaisemmin alasajetuilla laitosyksiköillä lähtötilanne oli jäähdytyksen kannalta olennaisesti helpompi, sillä polttoaineen lämmöntuotto oli ehtinyt laskea matalammalle tasolle.ⁱⁱⁱ

Fukushiman laitostyypin jäähdytysjärjestelmät muodostavat suhteellisen monimutkaisen kokonaisuuden, johon kuuluu paitsi sähkötoimisia pumppuja, myös järjestelmiä jotka eivät vaadi toimiakseen ulkoista käyttövoimaa. Ykkösyksiköllä korkeassa paineessa olevan reaktorin jäähdytykseen käytettiin passiivisia eristyslauhduttimia, jotka siirsivät luonnonkierrolla lämpöä reaktorista suojarakennuksen ulkopuolelle. Kakkos- ja kolmosyksiköillä samaa tarkoitusta palveli höyryturbiinikäyttöinen eristysjäähdytysjärjestelmä, jonka vesipumppu sai käyttövoimansa reaktorista lauhdutusaltaaseen purkautuvalta höyryltä. Näihinkin järjestelmiin kuului kuitenkin sähkötoimisia venttiileitä, joiden ohjaamiseen tarvittiin instrumentoinnin ja laitosautomaation käyttämää tasavirtaverkkoa.^iv

Varavoimadieseleiden pysähtymisen jälkeen kaikki sähkötoimiset jälkilämmönpoistojärjestelmät lopettivat välittömästi toimintansa. Ykkös- ja kakkosyksiköllä tsunamiaalto tuhosi myös kellaritiloihin sijoitetut akut, joilla varmistettiin tasavirtaverkon toiminta. Tämä tarkoitti sitä, että laitoksen valvomohuoneeseen ei välittynyt enää lainkaan tilannekuvaa suojarakennuksen sisältä. Reaktorien ohjaajilla ei ollut minkäänlaisia keinoja vaikuttaa muuten toimintakuntoisten passiivisten jäähdytysjärjestelmien toimintaan, tai edes saada tietoa siitä, minkälaiseen asentoon niitä ohjaavat venttiilit olivat jääneet sähkövirran katkeamisen jälkeen. Pahin uhkakuva oli se, että reaktorit olisivat jääneet kokonaan ilman vesikiertoa. Vedenpinnankorkeus olisi tällöin laskenut muutamassa tunnissa polttoaineen yläreunan tasolle, minkä jälkeen paljastunut sydän olisi päässyt ylikuumenemaan ja lopulta sulamaan.

Kolmosyksikön osalta tilanne oli ensi alkuun parempi, sillä akkuvarmistukset oli sijoitettu turbiinirakennuksen ensimmäiseen kerrokseen, ja instrumentointiin käytetty tasavirtaverkko säilyi toimintakuntoisena. Tämä mahdollisti reaktorin tilan seuraamisen ja vedenpinnankorkeuden ylläpitämisen eristysjäähdytysjärjestelmän höyrytoimisella pumpulla. Polttoaineen ylikuumeneminen ei siis muodostanut ainakaan välitöntä uhkaa, vaikka lämpöä ei kyettykään siirtämään suojarakennuksesta ulos. Akkuvarmistuksen kapasiteetti riitti noin 30 tunnin ajaksi.

Kun tilanteen vakavuus alkoi selvitä, maan hallitus julisti hätätilan Fukushiman prefektuuriin. Väestö määrättiin evakuoitavaksi laitosalueen välittömästä läheisyydestä. Evakuointivyöhykettä laajennettiin myöhemmin kymmenen, ja sitten kahdenkymmenen kilometrin etäisyydelle onnettomuuslaitoksesta. Onnettomuuden sattuessa laitosalueella oli 6400 työntekijää ja aliurakoitsijaa. Näiden lisäksi pelastustoimeen lähetettiin useita palokunnan ja puolustusvoimien yksiköitä, jotka jouduttiin irrottamaan muista luonnonkatastrofin aiheuttamista tehtävistä.

Pahin mahdollinen skenaario toteutuikin ykkösyksiköllä. Fissiotehon sammuttamisen jälkeen reaktorin jäähtymistä säädettiin eristyslauhduttimilla. Liian nopean jäähtymisen välttämiseksi lauhduttimien venttiileitä avattiin ja suljettiin tarpeen mukaan. Kyse oli rutiinitoimenpiteestä, jolla pyrittin vähentämään rakenteiden lämpörasitusta. Tsunamiaallon iskiessä venttiilit olivat pahaksi onneksi kiinni, eikä niitä sähköjen menetyksen jälkeen saatu enää avattua. Reaktori jäi siis jo tässä vaiheessa ilman toimivaa vesikiertoa. Kakkosyksiköllä tilanne oli sen sijaan hieman ensivaikutelmaa parempi, sillä jäähdytykseen käytetyn eristysjäähdytysjärjestelmän pumppu oli sähkökatkon aikaan toiminnassa. Vaikka järjestelmää ei kyetty enää ohjaamaan, se jatkoi höyrynpaineen voimalla veden syöttämistä reaktoriin.

Laitoksen käyttöhenkilökunta joutui jo varhaisessa vaiheessa toteamaan, että ulkoisen sähköverkon tai diesel-varmennettujen varajärjestelmien palauttaminen toimintakuntoiseksi ei ollut enää mahdollista. Suunnitelma reaktorien pelastamiseksi keskittyi sen sijaan suojarakennuksesta ulos vedettyihin palovesilinjoihin. Nämä järjestelmät oli asennettu alun perin tulipaloja silmällä pitäen, mutta ne voitiin linjoittaa uudeleen syöttämään vettä suoraan reaktoriin.

Suunnitelmaan liittyi kuitenkin suuria haasteita. Palovesipumput toimivat suhteellisen matalassa paineessa, eli myös reaktorin paine oli saatava ensin alas puhaltamalla höyryä jäähdytyspiiristä suojarakennuksen lauhdutusaltaaseen. Paineenalennusventtiilien avaamiseen puolestaan tarvittiin instrumentointivirtaa, jota ei ykkös- ja kakkosyksiköllä enää akkusähkön menetyksen jälkeen ollut saatavilla. Improvisoituna hätäratkaisuna venttiilien ohjausvirtaa yritettiin saada laitosaluelle jääneiden ajoneuvojen akuista. Operaatioon liittyi myös se ongelma, että paine-eron kadotessa reaktorin vedenpinnankorkeutta ylläpitävät höyrytoimiset pumput lopettaisivat toimintansa, joten korvaavan paloveden syöttö oli syytä päästä aloittamaan heti paineenalennuksen jälkeen.

Yrityksistä huolimatta ykkösreaktorin paineenalennus ei onnistunut suunnitelmien mukaan, ja reaktori jäi kokonaan ilman vesikiertoa yli 12 tunnin ajaksi. Polttoaine suli jälkilämmön vaikutuksesta sydämen kiehuessa kuivaksi. Veden syöttäminen palovesilinjoja pitkin päästiin aloittamaan vasta kun sydänsula puhkaisi reaktoriastian pohjan, jolloin jäähdytyspiirin paine romahti.^v

Tilanne eteni kakkos- ja kolmosyksiköillä lopulta pitkälti saman kaavan mukaan. Reaktoreiden vesikiertoa ylläpitäneet eristysjäähdytysjärjestelmät oli suunniteltu toimimaan korkeintaan joitakin tunteja kerrallaan. Kolmosyksiköllä höyryturbiinikäyttöinen pumppu pysähtyi 20 tunnin, ja kakkosyksiköllä noin 70 tunnin käytön jälkeen. Kun vesikierto sydämeen lakkasi, polttoaine alkoi nopeasti ylikuumenemaan. Paineenalennus viivästyi molemmilla laitosyksiköillä, ja reaktorit jäivät monen tunnin ajaksi ilman jäähdytystä. Kun palovesilinjat saatiin lopulta käyttöön, polttoaine oli ehtinyt jo sulaa.^vi

Polttoaineen sulaminen vapauttaa paljon radioaktiivisuutta reaktorin jäähdytyskiertoon. Vaikka suojarakennukset oli suunniteltu viimeiseksi vapautumisesteeksi onnettomuustilanteita varten, niiden paineensietokyky oli varsin rajallinen. Reaktorin tuottama lämpö siirtyi suojarakennuksen puolelle, nostaen sen sisäistä painetta. Jäähdytysjärjestelmien lakattua toimimasta lämpöenergiaa ei enää kyetty siirtämään hallitusti ulos. Kun ykkösyksikön painetta päästiin ensimmäisen kerran mittaamaan kahdeksan tuntia varavoimadieseleiden pysähtymisen jälkeen, lukema ylitti jo suunnittelurajat. Korkea paine aiheutti vuotoja, ja ensimmäinen havainto kohonneesta säteilytasosta reaktorirakennuksen ulkopuolella tehtiin lauantaina aamuyöllä.

Kaikkien kolmen laitosyksikön suojarakennukset menettivät ylipaineistumisen seurauksena lopulta tiiveytensä. Vaikka eristys ei ollut täydellinen, suojarakennustoiminnon ylläpitäminen oli tärkeä osa onnettomuuden hallintaa, sillä se rajoitti merkittävästi radioaktiivista päästöä ympäristöön. Ainoa tapa helpottaa suojarakennuksen painekuormaa oli päästää höyryä ulos. Päätös paineenalennuksesta ei ollut aivan helppo, sillä höyryn mukana ympäristöön vapautui väistämättä lisää radioaktiivisuutta. Hallittua ympäristöpäästöä pidettiin kuitenkin pienempänä pahana kuin sitä, että rakenteet antaisivat korkean paineen alla kokonaan periksi, jolloin reaktorin ja ympäristön välille muodostuisi suora päästöreitti. Suojarakennuksen paineenalennuksessa törmättiin kuitenkin samanlaisiin ongelmiin kuin reaktoreiden kanssa, sillä ulospuhalluslinjojen venttiilien avaamiseen tarvittiin paineilmaa, jota ei sähköverkon menetyksen jälkeen ollut enää helposti saatavilla.^vii

Ykkösyksikön suojarakennuksen paineenalennus päästiin aloittamaan lauantaiaamuna, kun evakuointivyöhykkeellä sijaitsevan Okuman kylän tyhjentäminen oli saatu päätökseen. Operaatio kesti yli viisi tuntia, mutta paine saatiin lopulta laskemaan. Höyryn mukana ulos vuotanut radioaktiivisuus näkyi laitosalueella odotetusti kohonneena säteilytasona. Suojarakennuksen paineenalennus onnistui myös kolmosyksiköllä. Kakkosreaktorin ulospuhalluslinjoja ei sen sijaan saatu ajoissa auki, ja kohonnut paine puhkaisi lopulta lauhdutusaltaan seinämän. Suurimmat onnettomuuden aikaiset ilmapäästöt olivatkin ilmeisesti peräisin juuri kakkosyksiköltä.

Kuva 3: Annosnopeus laitosalueen pääportilla onnettomuuden ensimmäisen viikon aikana. Laitosyksiköillä tapahtuneet päästöt näkyvät piikkeinä säteilytasossa. Kuva on laadittu pian onnettomuuden jälkeen, eivätkä kaikki selitystekstit pidä paikkansa. Esimerkiksi kakkosyksikön suojarakennuksen paineenalennus (venting) ei nykytiedon mukaan missään vaiheessa onnistunut. Myöskään vetyräjähdystä ei muista laitosyksiköistä poiketen tapahtunut, vaan räjähdykseksi alun perin luultu ääni aiheutui todennäköisesti lauhdutusaltaan seinämän puhkeamisesta korkean paineen alla. Suurimmat päästöt seurasivat kakkosyksikön lauhdutusaltaan puhkeamisesta sekä kolmosyksikön suojarakennuksen paineenalennuksesta.

Aikaisemmassa blogikirjoituksessa todettiin, että polttoaineen zirkonium-metalliset suojakuoriputket alkavat oksidoitua lämpötilan kohotessa paljon reaktorin normaalin käyttölämpötilan yläpuolelle. Kyse on metallin ja vesihöyryn välillä tapahtuvasta eksotermisestä kemiallisesta reaktiosta, jossa vapautuu lämmön lisäksi myös vetyä. Reaktio alkaa kiihtyä lämpötilan noustessa, ja sen tuottama lämpöteho voi lopulta hetkellisesti ylittää polttoaineen jälkilämmöntuoton. Tämä edesauttaa merkittävästi sydänvaurioiden syntymistä. Oksidoitunut suojakuoriputki myös pirstoutuu helposti, jolloin sisällä oleva pellettipatsas romahtaa reaktoriastian pohjalle.

Vedynmuodostus on hyvin tunnettu vakavien reaktorionnettomuuksien ilmiö, johon on kiehutusvesilaitoksilla varauduttu inertoimalla suojarakennuksen ilmatila typpikaasulla. Tämä estää tehokkaasti vedyn palamisen. Fukushimassa vetyä pääsi kuitenkin vuotamaan korkeapaineisen vesihöyryn mukana myös suojarakennuksen ulkopuolelle. Reaktorihallissa vety sekoittui ilman kanssa, muodostaen helposti syttyvän kaasuseoksen. Ykkösyksiköllä tapahtui lauantai-iltapäivänä voimakas vetyräjähdys, joka rikkoi reaktorirakennuksen ylimpien kerrosten seinä- ja kattorakenteita. Koska räjähdys tapahtui varsinaisen suojarakennuksen ulkopuolella, se ei aiheuttanut uutta päästöä. Räjähdys levitti kuitenkin ympäristöön radioaktiivisuutta jota oli aikaisemmin kerääntynyt reaktorirakennuksen sisälle, ja sen aiheuttamat tuhot vaikeuttivat reaktorin jäähdytystä ja muita pelastustoimia.

Vastaava vetyräjähdys tapahtui kaksi päivää myöhemmin myös kolmosyksiköllä. Edellisen räjähdyksen tapaan myöskään kolmosyksikön suojarakennus ei kärsinyt merkittäviä lisävaurioita. Räjähdys haittasi kuitenkin viereisellä kakkosyksiköllä meneillään olevaa operaatiota. Palovesilinjojen kautta tapahtuvan vedensyötön valmistelu keskeytyi, ja suojarakennuksen paineenalennukseen käytettävät ulospuhalluslinjat kärsivät vaurioita. Kakkosyksikön lauhdutusaltaan puhkeaminen aiheutuikin välillisesti kolmosyksikön vetyräjähdyksestä, kun painetta ei saatu alas ulospuhalluslinjojen venttiilien vaurioitumisen vuoksi.^viii

Kuva 4: Reaktorirakennukset 4, 3, 2 ja 1 vetyräjähdysten jälkeen (keskiviikkona 16.3.2011). Räjähdykset tapahtuivat reaktorin ja suojarakennuksen ulkopuolella, ja uloimpien rakenteiden kärsimistä mittavista vaurioista huolimatta niillä ei ollut merkittävää suoraa vaikutusta radioaktiiviseen päästöön. Räjähdykset kuitenkin levittivät reaktorirakennuksen sisälle kertynyttä radioaktiivisuutta ympäristöön, ja vaikeuttivat pelastustoimia laitosalueella.

Reaktoreiden lisäksi käytettyä polttoainetta säilytettiin myös laitosyksiköiden polttoainealtaissa. Altaiden jälkilämmöntuotto oli reaktoreihin verrattuna suhteellisen vähäistä, eikä polttoaineen ylikuumenemista pidetty välittömänä uhkana vaikka jäähdytyskierto oli katkennut sähköverkon menetykseen.^ix Altaat sijaitsivat kuitenkin suojarakennusten ulkopuolella, joten radioaktiiviselle päästölle ei sellaisen sattuessa olisi ollut minkäänlaista vapautumisestettä. Onnettomuuden ensimmäisten päivien aikana huoli polttoainealtaiden tilasta liittyi lähinnä siihen, että kaikkia maanjäristyksen aiheuttamia vaurioita ei oltu ehditty tarkastaa ennen kuin tsunami iski laitosalueelle, ja kaikki pelastustoimet oli keskitettävä reaktoreiden jäähdytyksen palauttamiseen. Vaikka mikään ei varsinaisesti viitannut vuotoon, voimakas maanjäristys olisi periaatteessa voinut aiheuttaa altaiden rakenteisiin murtumia. Vaurioita olisi voinut syntyä myös ykkös- ja kolmosyksiköillä tapahtuneissa vetyräjähdyksissä.

Laitosalueen säteilytaso alkoi nousta tiistaina 15.3. Yhtenä mahdollisena selityksenä pidettiin ilmeisesti sitä, että vedenpinta kolmos- tai nelosyksikön polttoainealtaassa olisi kaikesta huolimatta  päässyt laskemaan nippujen yläreunan tasolle. Vesi toimi jäähdytteen lisäksi myös säteilysuojana, joten suojauksen heikentyminen olisi voinut nostaa annosnopeutta altaan lähellä. Tilannekuvaa muutti myös nelosyksiköllä tapahtunut vetyräjähdys. Koska reaktorissa ei ollut lainkaan polttoainetta, ainoa selitys vaikutti aluksi olevan se, että vety oli peräisin altaasta. Jos polttoaine olisi päässyt paljastumaan veden alta, suojakuoriputken zirkoniumin oksidoitumisreaktio olisi voinut käynnistyä lämpötilan noustua riittävän korkeaksi.

Nelosyksiköllä räjähtäneen vedyn alkuperäksi paljastui kuitenkin kolmosyksikön reaktori. Pareittain rakennetut laitokset jakoivat yhteisiä ilmanvaihtojärjestelmiä, joita pitkin vetyä oli kulkeutunut kolmosyksikön reaktorirakennuksesta sisarlaitoksen puolelle. Säteilytason nousuun puolestaan vaikutti olennaisesti kakkosyksiköllä tapahtunut päästö, kun lauhdutusaltaan seinämä antoi paineen alla periksi. Nelosyksikön polttoainealtaan kunto pystyttiin vahvistamaan myös ilmakuvista.

Laitosalueella käynnistettiin kuitenkin varotoimenpiteenä uusi operaatio, jossa vettä ruiskutettiin kolmos- ja nelosyksiköiden polttoainealtaisiin paloautojen vesitykeillä ja betoniautoilla. Operaatio jatkui monta päivää, ja se sai näyttävyytensä vuoksi paljon mediahuomiota. Tilanteen vakavuutta tosin tulkittiin myös väärin.^x Myöhempien selvitysten perusteella vaikuttaa siltä, että allasveden pinta ei kummallakaan laitosyksiköllä laskenut lähellekään polttoainenippujen yläreunaa, eikä myöskään ylikuumenemisen aiheuttamia vaurioita tai päästöjä päässyt syntymään.

Kun huoli polttoainealtaiden jäähdytyksestä väistyi ja veden syöttö reaktoreihin saatiin toimimaan, tilanne Fukushimassa alkoi vihdoin rauhoittua. Ilmapäästöt loppuivat kun sulaneet reaktorisydämet saatiin peitettyä vedellä, ja sydänsula jähmettyi lämpötilan laskiessa. Pääosa radionuklideista vapautui tiistain ja perjantain välisenä aikana ensimmäisellä onnettomuusviikolla. Suurimman yksittäisen päästön uskotaan tapahtuneen kakkosyksiköltä tiistaina 15.3. Vaikka ilmapäästöt saatiin pian loppumaan, radioaktiivisuutta päätyi kuitenkin vahingoittuneista reaktorirakennuksista vuotavan veden mukana edelleen mereen, ja kaikkien päästöreittien paikallistaminen kesti lopulta huhtikuun puolelle.

Vaikka Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden aiheuttanut tsunami oli alkutapahtumana poikkeuksellinen, onnettomuudessa oli kyse paljon muustakin kuin epäonnekkaasta sattumasta. Ilmeisin syy sähköjärjestelmien menettämiselle oli se, että laitoksella oli varauduttu poikkeuksellisen huonosti ulkoisiin uhkiin. Varavoimadieselit oli sijoitettu turbiinirakennusten kellaritiloihin siten, että yksittäinen hyökyaalto teki kaikki järjestelmät kerralla käyttökelvottomiksi. Sama päti tasavirtajärjestelmän akkuvarmistuksiin. Ydinenergia-alalla yleisesti sovellettavien redundanssi- ja diversiteettiperiaatteiden mukaan turvallisuuden kannalta kriittiset järjestelmät on pystyttävä varmistamaan siten, että mikään yksittäinen alkutapahtuma ei voi johtaa kaikkien rinnakkaisten osajärjestelmien samanaikaiseen menettämiseen.^xi Fukushimassa turvallisuussuunnittelu petti näiden periaatteiden osalta täysin.

Ykkösyksikön passiiviset eristyslauhduttimet olisivat periaatteessa voineet pelastaa reaktorin vielä sähköverkon menetyksen jälkeen siirtämällä lämpöä reaktorista suojarakennuksen ulkopuolelle, jos vain lauhduttimien venttiileitä olisi saatu ohjattua, tai jos niiden toimintalogiikka olisi alunperinkin suunniteltu siten, että sähkövirran menetys jättää jäähdytyskierron auki. Polttoaineen jälkilämmönpoistoon olisi tällöin riittänyt se, että lauhduttimien toisiopuolen vesitäydennyksistä olisi pystytty huolehtimaan kahdeksan tunnin välein. Vastaavia järjestelmiä toimivalla fail-safe -logiikalla on suunniteltu passiivisesti turvallisiin kolmannen sukupolven ydinlaitoksiin.

Kakkos- ja kolmosyksiköillä höyrytoimiset pumput eivät kyenneet siirtämään lämpöä suojarakennuksesta ulos, mutta niiden toiminnalla saatiin lisää aikaa ulkopuolisen vedensyötön valmisteluun. Operaation epäonnistuminen oli viime kädessä kiinni siitä, että reaktorien sisäistä painetta ei saatu riittävän ajoissa alas. Tähänkin oli syynä tasavirtaverkon toimimattomuus. Samankaltaiset ongelmat johtivat myös suojarakennusten tiiveyden menetykseen, kun paineenalennus viivästyi tai epäonnistui kokonaan.

Mikä Fukuhiman turvallisuussuunnittelussa sitten meni pieleen? Pohjimmiltaan kyse oli siitä, että laitostyyppi oli saanut viranomaisen hyväksynnän 1960-luvun puolella, eikä kaikkia turvallisuusvaatimuksia oltu missään vaiheessa päivitetty vastaamaan nykyisiä standardeja. Japanin ydinenergialainsäädäntö ei edellyttänyt voimayhtiöitä varautumaan lainkaan suunnitteluperusteet ylittäviin onnettomuuksiin, tai ylläpitämään turvallisuustason arvioinnissa käytettyjä menetelmiä siten, että ne olisivat vastanneet parasta olemassa olevaa tietoa riskeistä.

Esimerkiksi tieto maanjäristyksistä ja tsunameista oli lisääntynyt huimasti kuluneiden vuosikymmenien aikana, mutta Fukushiman tulvasuojauksessa varauduttiin vielä vuonna 2011 ainoastaan 5.7-metriseen hyökyaaltoon. Korkea tsunami iski myös Onagawan ydinvoimalaitokselle, joka sijaitsi vielä lähempänä maanjäristyksen keskusta, ja romahti mannerlaattojen liikahtaessa metrin verran alaspäin. Laitoksen suunnittelussa oli kuitenkin ilmeisesti sovellettu uudempaa tietoa tsunameihin liittyvistä riskeistä, ja paremman tulvasuojauksen vuoksi Onagawan varavoimajärjestelmät säilyivät toimintakuntoisina.

1960-luvulla ydinvoimaloiden turvallisuussuunnittelu keskittyi erityisesti jäähdytteenmenetysonnettomuuksiin. Taustalla oleva ajatus oli se, että jos suunnittelussa varaudutaan suurimman jäähdytysvesiputken katkeamiseen, niin reaktorin pitäisi kestää myös kaikki vähäisemmistä alkutapahtumista seuraavat ongelmatilanteet. Vuosikymmenien ydinturvallisuustutkimus ja käytännön kokemus ovat kuitenkin osoittaneet, että ydinenergian turvallinen käyttö edellyttää myös varautumista paljon monimutkaisempiin tapahtumaketjuihin, jotka voivat saada alkunsa esimerkiksi juuri sähköjärjestelmien häiriötilanteista.

Fukushimassa sähkötoimisten jälkilämmönpoistojärjestelmien menetyksen varalta laaditun B-suunnitelman onnistuminen edellytti käytännössä sitä, että reaktorin instrumentointiin ja paineenalennusventtiilien ohjaukseen käytetty tasavirtaverkko säilyi toimintakuntoisena. Yksittäisen alkutapahtuman ei siis oletettu vaikuttavan useampaan järjestelmään samanaikaisesti. Laitoksen käyttöhenkilökunnan turvallisuuskoulutuksessa ei oltu huomioitu tilannetta jossa kaikki sähköjärjestelmät menetetään lopullisesti, tai sitä että ongelmat koskettavat useampaa laitosyksikköä. Myöskään reaktoreiden suojarakennustoimintoa ei oltu mitoitettu kestämään pitkään jatkunutta paine- ja lämpökuormaa.

Fukushiman onnettomuus oli Japanin ydinenergiayhteisölle karu herätys todellisuuteen. Maan jokainen reaktoriyksikkö ajettiin alas turvallisuuden uudelleenarviointia varten, eikä kaikkia laitoksia ole vieläkään päästy palauttamaan käyttöön. Myös viranomaistoimintaa ja lainsäädäntöä uudistettiin perusteellisesti. Onnettomuuden seurauksista kärsivät luonnollisesti myös lähialueen asukkaat, jotka joutuivat radioaktiivisen laskeuman vuoksi jättämään kotinsa. Erityisen murheelliseksi tapauksen tekee se, että tilanteen kehittyminen käyttöhäiriöstä vakavaksi reaktorionnettomuudeksi olisi ollut helposti vältettävissä. Tämä ei olisi edellyttänyt edes uusia innovaatioita reaktoriturvallisuuden alalla, vaan yksinkertaisesti sitä, että Fukushimassa olisi noudatettu ydinenergiteollisuuden muuten yleisesti soveltamia turvallisuusperiaatteita.

---

ⁱ⁾ Monissa Fukushiman onnettomuutta käsittelevissä uutisissa ja keskusteluissa nostettiin erityisenä ongelmana esille se, että reaktorit olisivat toimineet plutoniumia sisältävällä sekaoksidipolttoaineella, eli MOX:illa. Todellisuudessa MOX-polttoainetta ei kuitenkaan käytetty kaikissa reaktoreissa, vaan ainoastaan kolmosyksiköllä, ja sielläkin vain 32:ssa reaktorin 548 polttoainenipusta. Polttoainetyypillä ei muutenkaan ollut suurta merkitystä onnettomuuden vakavuuden kannalta. Reaktorissa säteilytetyn MOX-polttoaineen jälkilämmöntuotto vastaa uraanipolttoainetta, eikä myöskään radioaktiivisuusinventaareissa ole suuria eroja. Pääosa inventaarista muodostuu joka tapauksessa fissiotuotteista, joiden aktiivisuus riippuu reaktorin fissiotehosta, sekä polttoaineen tuottamasta kokonaisenergiamäärästä. Eroa uraani- ja MOX-polttoaineen välillä kaventaa myös se, että plutoniumia syntyy käytön aikana myös tavalliseen uraanipolttoaineeseen. Käyttöikänsä lopulla polttoainenippu voi tuottaa suurimman osan energiastaan plutoniumin Pu239-isotoopin fissiolla.

ⁱⁱ⁾ Veden kiehumispiste 7 megapascalin (MPa) paineessa on 285°C. Normaali ilmanpaine on n. 0.1 MPa. Fukushimassa suojarakennuksen mitoituspaine oli n. 0.4 MPa.

ⁱⁱⁱ⁾ Laitosyksiköt oli kytketty toimimaan pareittain. Yksi kuutosyksikön dieselgeneraattoreista selvisi tsunamista toimintakuntoisena, ja sen tuottamalla sähköllä pystyttiin käyttämään myös sisarlaitoksen jäähdytysjärjestelmiä. Viitos- ja kuutosyksiköiden reaktorit eivät kärsineet onnettomuudessa polttoainevaurioita. Tilannetta helpotti se, että molemmat reaktorit oli sammutettu aikaisemmin vuosihuoltoa varten, joten myös polttoaineen jälkilämmöntuotto oli ehtinyt laskea.

^iv) Eristyslauhduttimesta käytetään englanninkielisessä kirjallisuudessa lyhennettä IC (isolation condenser), ja höyrykäyttöisestä eristysjäähdytysjärjestelmästä lyhennettä RCIC (reactor core isolation cooling system). Nämä järjestelmät oli suunniteltu reaktorin jälkilämmönpoistoon korkeassa paineessa suojarakennuksen eristyksen jälkeen. Reaktoripiirin paineen laskettua jäähdytys oli tarkoitus hoitaa sähkötoimisilla järjestelmillä, jotka eivät enää varavoimadieseleiden menetyksen jälkeen saaneet käyttövoimaa. Jälkilämmönpoiston lisäksi reaktoreilla oli onnettomuustilanteita varten suunniteltuja hätäjäähdytysjärjestelmiä, joista korkeapaineinen ruiskutusjärjestelmä toimi RCIC:n tapaan höyryturbiinilla, ja muut järjestelmät sähkötoimisilla pumpuilla.

^v) Ulkoinen vedensyöttö hoidettiin pääasiassa laitospaikalle saapuneilla paloautoilla. Reaktoreihin syötettiin aluksi puhdasta vettä, mutta säiliöiden tyhjennyttyä vettä jouduttiin ottamaan myös merestä. Meriveden mukana reaktoreihin päätyi tonneittain suolaa, jonka pelättiin tukkivan jäähdytyskanavia ja aiheuttavan lisää ongelmia. Ratkaisua pidettiin kuitenkin parempana vaihtoehtona kuin reaktoreiden jättämistä kokonaan ilman jäähdytystä. Vaikka veden syöttö päästiin aloittamaan vasta polttoaineen sulamisen jälkeen, jäähdytyksellä oli tärkeä merkitys päästöjen rajoittamisen kannalta. Radionuklidien vapautumisnopeus riippuu voimakkaasti lämpötilasta, minkä lisäksi jäähdyte sitoo itseensä aerosoleja ja vesiliukoisia yhdisteitä.

^vi) Eristysjäähdytysjärjestelmän petettyä kolmosyksikön suojausautomatiikka käynnisti pian toisen höyrykäyttöisen hätäruiskutusjärjestelmän (high pressure coolant injection system, HPCI), joka oli suunniteltu pääasiassa ylläpitämään vedenpinnankorkeutta jäähdytteenmenetysonnettomuuksissa. Järjestelmä syötti vettä reaktoriin vielä 14 tunnin ajan. Pumppu pysäytettiin kun reaktorin paine saatiin niin alas, että veden syöttö palovesilinjoja pitkin tuli mahdolliseksi. Jäähdytyskierron pysähtymisen jälkeen reaktorin paine nousi kuitenkin nopeasti, ja ulkoinen vedensyöttö epäonnistui. Myöskään HPCI-järjestelmän uudelleen käynnistäminen ei onnistunut, ja reaktorin sydän jäi yli neljäksi tunniksi ilman jäähdytystä. Vastaava suojausautomatiikka ei toiminut ykkös- ja kakkosyksiköllä, sillä sitä ohjaavaa tasavirtaverkkoa ei ollut saatavilla.

^vii) Suojarakennuksen paineenalennusta vaikeutti myös se, että ulospuhalluslinjat oli varustettu murtolevyillä, joiden tarkoitus oli estää ennenaikainen päästö ympäristöön tilanteessa jossa painekuorma ei vielä uhannut rakenteiden eheyttä. Käytännössä operaatio edellytti sitä, että venttiilit pidettiin paineilmalla auki, ja suojarakennuksen sisäisen paineen odotettiin kohoavan niin korkeaksi että murtolevyt antoivat periksi. Venttiilit sijaitsivat reaktorirakennuksen sisällä tiloissa, joissa säteilytaso oli selvästi koholla.

^viii) Vetyräjähdyksistä löytyy videomateriaalia esimerkiksi YouTubesta. Molemmat räjähdykset tapahtuivat reaktorirakennuksen yläosassa (kts. kuva2), varsinaisen suojarakennuksen ulkopuolella. Kolmosyksikön tapauksessa (oikeanpuolimmainen videoruutu) räjähdyksen uskotaan saaneen alkunsa reaktorikuilussa, jonka seinämät suuntasivat sen voiman selvemmin ylöspäin. Dramaattisuudestaan huolimatta räjähdysten vaikutus kokonaispäästöön oli suhteellisen pieni. Reaktorirakennukseen kerääntynyttä radioaktiivisuutta levisi laitosalueelle, mutta uutta vuotoa niistä ei seurannut.

^ix) Polttoainealtaassa säilytetään edellisten käyttöjaksojen lopussa reaktorista poistettuja polttoainenippuja. Eniten polttoainetta oli nelosyksikön altaassa (1331 nippua), johon koko sydän oli tyhjennetty reaktorin sisäosien tarkistusta varten. Pidemmän jäähtymisajan vuoksi radioaktiivisen hajoamisen tuottama jälkilämpö oli selvästi juuri sammutettuja reaktoreita matalammalla tasolla. Nelosyksikön altaan jälkilämmöntuotto oli n. 2 MW, ja muilla yksiköillä 0.2-0.5 MW. Vertailun vuoksi reaktorit tuottivat jälkilämpöä 22 MW (ykkösyksikkö) ja 33 MW (yksiköt 2 ja 3). Altaan ollessa täynnä polttoaineen päällä oli noin 7 metriä vettä, joskin pinta laski jonkin verran maanjäristyksen aiheuttaman loiskumisen vuoksi. Vedenpinnan laskeminen haihtumalla polttoainenippujen yläreunan tasolle olisi silti vienyt useamman viikon.

^x) Polttoainealtaiden tilaan liittyvät uutiset perustuivat ilmeisesti suurelta osin vahvistamattomiin tietoihin. Esimerkiksi IAEA:n selvitysraportti ei mainitse lainkaan sitä, että altaiden vedenpinnan taso olisi laskenut niin paljon, että säteilysuojauksen heikentyminen olisi nostanut suoraa säteilyvaikutusta laitosalueella. Tämä ja muut altaisiin liittyvät ongelmat nostettiin kuitenkin selvästi esille mediassa. Yksi syy ristiriitaiseen tiedotukseen lienee se, että USA:n ydinturvallisuusviranomainen (Nuclear Regulatory Commission, NRC) piti pitkään kiinni omasta näkemyksestään, jonka mukaan nelosyksikön polttoaineallas oli vuotanut tyhjäksi, ja hallitsematon päästö nostaisi laitosalueen säteilytason lopulta niin korkeaksi, että kaikista pelastustoimista jouduttaisiin luopumaan. Yhdysvaltain kansalaisille annettiin suositus siirtyä 80 kilometrin päähän Fukushimasta, mikä poikkesi selvästi japanilaisten virallisista evakuointimääräyksistä. Eri asiantuntijatahojen keskenään ristiriitaiset lausunnot aiheuttivat paljon hämmennystä jo valmiiksi sekavassa tilanteessa, ja söivät kansalaisten luottamusta viranomaisia kohtaan. Japanilaisten oman tilannekuvan mukaan mikään ei viitannut altaassa olevan polttoaineen vaurioitumiseen. Amerikkalaiset eivät muuttaneet annettuja ohjeita vaikka helikopterista otetuissa valokuvissa näkyi selvästi että polttoaineen päällä oli monta metriä vettä. NRC myönsi virheensä vasta kesäkuussa 2011.

^xi) Redundanssilla tarkoitetaan turvallisuuden kannalta kriittisten toimintojen varmistamista useammalla rinnakkaisella järjestelmällä siten, että turvallisuus ei vaarannu vaikka osa järjestelmistä menettäisi toimintakykynsä. Diversiteetillä puolestaan tarkoitetaan näiden toimintojen hajauttamista eri teknologioihin, millä pyritään välttämään yhteisvikojen mahdollisuus (esim. diesel-generaattoreiden polttoaineen loppuminen). Esimerkiksi Olkiluodon kiehutusvesireaktoreiden hätäjäähdytys- ja jälkilämmönpoistojärjestelmät on varmistettu laitosyksikkökohtaisten diesel-generaattoreiden lisäksi kaasuturbiinikäyttöisellä varavoimalaitoksella. Sähkönsyöttö voidaan tarvittaessa järjestää laitosyksiköltä toiselle, minkä lisäksi sähköä voidaan saada kantaverkosta riippumattoman linjan kautta suoraan Harjavallan vesivoimalaitokselta.