V únoru 2021 došlo v USA k nehodě na malém jaderném reaktoru v Národním institutu pro standardy a technologie (NIST). Spojené státy kvůli tomu přišly přinejmenším dočasně o téměř polovinu své kapacity pro studium materiálů pomocí svazků neutronů, což pro místní výzkum znamená zásadní komplikaci. O incidentu a jeho následcích informoval odborný časopis Science.
Nehoda na neutronovém reaktoru zpomalila americký výzkum. Únik radiace od února zastavil studie
Při únorové nehodě se přehřála palivová tyč v 52 let starém reaktoru v Centru pro neutronový výzkum NIST v Gaithersburgu ve státě Maryland na východním pobřeží. Částečně se roztavila, přičemž se do okolí uvolnilo malé množství záření.
Podle šetření NIST nebyla veřejnost nijak ohrožena, problém ale incident představuje pro americkou vědu. Reaktor se totiž vrátí do provozu nejdříve v dubnu 2022, takže tisíce jeho uživatelů ho nemohou využívat. A pro celou americkou vědu je toto zařízení v podstatě nenahraditelné.
„Máme v úmyslu reaktor znovu spustit,“ ubezpečuje pro Science ředitel ústavu Robert Dimeo, současně však dodává: „Uděláme to, až si budeme jisti, že je to bezpečné.“ Do té doby je odstávka „obrovským problémem“, popisuje fyzik Robert Birgeneau, který na Kalifornské univerzitě v Berkeley využívá neutronový zdroj ke studiu exotických supravodičů na bázi železa.
Stejný problém má i řada dalších vědců. Například fyzik Michael Hore, který se věnuje výzkumu polymerů na Case Western Reserve University, si stěžuje, že odstávka vrátí jeden z jeho projektů o jeden až dva roky zpět. „Existuje jenom několik podobných přístrojů a všechny jsou už takhle přeplněné.“
K čemu jsou zapotřebí podobné reaktory
Neutrony, které se v reaktoru uvolňují při štěpení atomových jader, se využívají při zkoumání materiálů. Mají totiž vlastnosti, které rentgenové záření nabídnout nedokáže. Zatímco rentgenové paprsky interagují jak s elektrony, tak s atomovými jádry ve vzorku, neutrony jsou nábojem neutrální a odrážejí se díky tomu pouze od jader – poskytují tak další nenahraditelné informace o tom, co se děje v nitru materiálů.
Současně mohou proniknout do materiálů, kam se rentgenové paprsky nedostanou, což vědcům umožňuje zobrazit vnitřek i tak velkých nebo složitých objektů, jako je běžící motor nebo ocelový nosník. Protože neutrony fungují jako malé magnety, mohou navíc odhalit vzorce magnetismu v atomárním měřítku uvnitř materiálů.
Neutrony také méně poškozují choulostivé vzorky než rentgenové paprsky – to se hodí zejména pro výzkum biologických vzorků.
Zmíněný reaktor generuje pouhých dvacet megawattů tepla – to je méně než jedno procento tepla typického pro elektrárenské reaktory. Jeho hlavním účelem byl a opět bude výzkum, nikoliv výroba energie. Je nejmenším ze tří hlavních neutronových zdrojů ve Spojených státech. Dalšími dvěma jsou 85megawattový reaktor HFIR (High Flux Isotope Reactor) v Oak Ridge National Laboratory Ministerstva energetiky (DOE) a Spallation Neutron Source (SNS) za 1,4 miliardy dolarů, také v Oak Ridge.
Jenže tento reaktor je zdaleka nejvytíženější – je vybavený 29 spektrometry a dalšími specializovanými přístroji, což je stejně jako v obou dalších reaktorech dohromady. Ročně slouží více než 2600 vědcům, kteří ho používají na své výzkumy.
Odstávka navíc přichází v době, kdy Spojené státy ztratily prvenství v oblasti neutronových zdrojů. Od roku 2008 nefunguje zařízení v Argonne National Laboratory a v roce 2015 skončil základní výzkum na urychlovači v Los Alamos National Laboratory. „Evropa nás předběhla třikrát, Asie dvakrát,“ stěžuje si fyzička Tonya Kuhlová. „Přijít o další kapacity by už byla katastrofa.“
Nehoda uprostřed pandemie
K blokační nehodě došlo ve středu 3. února. Podle zprávy, kterou NIST minulý měsíc předložil americké Komisi pro jaderný dozor, začali operátoři v toho dne v osm hodin ráno reaktor po odstávce nutné pro pravidelné doplnění paliva znovu spouštět. V 9:07 hodin ale klesl výkon reaktoru z 15 megawattů na 7 megawattů. Během jedné minuty zaznamenaly monitory radiaci v železobetonové ochranné budově reaktoru, v 9:09 pak automatické systémy odstavily reaktor a neprodyšně uzavřely budovu.
Provozovatel si uvědomil, že mohlo dojít k poškození uranového paliva v reaktoru, a okamžitě vyhlásil poplach. Něco takového se stává ve výzkumných reaktorech výjimečně, s opravdovými poplachy tedy personál nemá zkušenosti. Přesto bezpečnostní systémy zafungovaly, a dopady nehody díky tomu byly zanedbatelné.
Deset zaměstnanců, kteří se zrovna nacházeli v budově, dostalo dávku záření odpovídající té, jaké by byli vystaveni při vyšetření počítačovou tomografií. Z budovy uniklo ven pouze stopové množství tří radioaktivních izotopů a radiace na hranici areálu NIST o rozloze 2,34 čtverečního kilometru se podle webových stránek nikdy nezvýšila nad úroveň pozadí.
Příčinou nehody byla podle NIST chyba při doplňování paliva do reaktoru o měsíc dříve. Obvykle operátoři vyměňují čtyři nejstarší ze třiceti palivových článků podobných tyčím a ostatní přeskládají.
Při práci používají speciální nástroj, kterým každý prvek zajistí na místě otočením do pružinového zajišťovacího mechanismu, jenže tentokrát sloužil nepříliš zkušený tým a jeden z těchto bezpečnostních prvků nezajistil. Chladící tekutina, která se zde pohybuje, ho později pomalu vychylovala z jeho polohy a voda, která se ke chlazení používá, pak kolem něj nemohla proudit ideálně.
Když pak byl reaktor znovu spuštěn, tento prvek nebyl perfektně chlazený a logicky došlo k jeho přehřátí – roztavila se pak i část jeho hliníkového pláště.
Nešťastná fluktuace
Podle zprávy NIST měla nehoda jasně rozpoznatelného viníka. Mohla za ni nepřiměřená fluktuace zaměstnanců, kvůli které sloužilo současně příliš mnoho lidí s nedostatkem zkušeností.
Zpráva říká, že zatímco ještě v roce 2011 mělo devět z jednadvaceti operátorů reaktoru více než dvacet let praxe, v době nehody to už byli pouze tři ze dvaadvaceti. Dalším problémem bylo, že se procedury více spoléhaly na intuici a zaběhnuté zvyky zvyky zaměstnanců než na explicitní a jasně dané postupy.
Reaktor naštěstí neutrpěl žádné větší škody kromě přehřátého palivového článku. V současné době už jsou z něj odstraněné všechny problémy a chtějí z něj i vyčerpat chladící vodu. To ale bude ještě několik měsíců trvat. Reaktor tedy nebude možné znovu spustit dříve než v dubnu, což znamená nejméně roční výpadek pro stovky vědeckých týmů, které jsou na něm závislé. Ve skutečnosti to ale podle Science může trvat ještě déle, protože k opětovnému spuštění bude zapotřebí schvalování, které se může protáhnout.
Hrozba skrytá v reaktoru
Přestože jsou podobné nehody výjimečné, čas od času k nim dochází a obvykle mají značný dopad. Asi nejhorší incident se stal roku 1996 v Brookhavenské národní laboratoři – tehdy našli vědci v podzemní vodě blízko tohoto zařízení radioaktivní tritium. Tento únik byl sice jen malý a radiace se nedostala mimo areál, vyvolal ale značné protesty veřejnosti a o tři roky později muselo být celé zařízení navždy uzavřené.
NIST doufá, že tentokrát se už něco podobného opakovat nebude – chce tomu předejít tím, že o všem ohledně marylandského reaktoru informuje zcela transparentně.
Dalším rizikem je nicméně i palivo, které se v těchto reaktorech používá. Zmíněný reaktor v Marylandu je starý víc než půl století a používá vysoce obohacené palivo (víc než devadesát procent v něm tvoří izotop uranu 235). Pokud by se dostalo do špatných rukou, dala by se z něj podle Science vyrobit jaderná bomba.
V rámci snah USA proti šíření jaderných zbraní mají být oba reaktory v budoucnosti modernizovány tak, aby používaly palivo obsahující méně než pětinu uranu-235. Mělo by k tomu dojít kolem roku 2030.