Úložiště jaderného odpadu - Katedra energetických zařízení

Technická univerzita v Liberci
Strojní fakulta
Katedra energetických zařízení
Úložiště jaderného odpadu
Ing. František Lemfeld
přednáška pro předměty Jaderná energetika, Termodynamika a
sdílení tepla
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Když se řekne jaderný odpad


nevyužitelný materiál v pevném, kapalném nebo
plynném skupenství, který pro obsah radionuklidů
není možno uvést do životního prostředí
dělení radioaktivních odpadů

nízko-aktivní odpad – low level waste

středně-aktivní – middle level waste

vysoko-aktivní – high level waste
.
Nízko-aktivní radioaktivní odpad
low-level waste (LLW)



při manipulaci a přepravě nevyžaduje stínění ani
chlazení
tvoří cca 90% objemu všech rad. odpadů, ale pouze
0,1% jejich radioaktivity
zdrojem nemocnice, průmysl, palivový cyklus
.
příklad odpadů:
rukavice
nářadí
oblečení
filtry
předměty z aktivní
zóny JE
ukázka odpadu
(www.tvo.fi)
Středně-aktivní radioaktivní odpad
intermediate-level waste (ILW)


při manipulaci a přepravě je nutné stínění, chlazení
není vyžadováno
chemický kal, pryskyřice, plášť reaktoru,
kontaminované materiály při odstavení elektrárny z
provozu
.
čištění kontejnmentu
odstranění reaktoru – JE Zion
zdroj: Exelon Generation
Vysoko-aktivní radioaktivní odpad
high level waste (HLW)

uvolňuje značné množství tepla – vyžaduje chlazení a stínění

trvalé uložení pouze v hlubinném geologickém úložišti


vyhořelé palivo – méně než 1% objemu jaderných odpadů, ale
90% jejich radioaktivity
celosvětová produkce cca 12 000 tun/rok (marathonresources.com)
.
transportní sud - Olkiluoto
přeprava vyhořelého paliva v elektrárně
zdroj: POSIVA
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady

Návštěva elektrárny Olkiluoto - Finsko
• JE Loviisa
LLW a MLW od
1998
• JE Olkiluoto
LLW a MLW od
1992
HLW ve
výstavbě od
2004
plánované
uvedení do
provozu 2020
zdroj: POSIVA
Finsko – základní legislativní rámec pro nakládání
s odpady




The Nuclear Energy Act, Nuclear Energy Decree

umožňuje parlamentu povolit výstavbu jaderného zařízení, včetně
úložiště jaderných odpadů

definují schvalovací proceduru a podmínky pro použití atomové
energie a způsob nakládání s odpady

definuje odpovědnost a pravomoci úřadů
Každý producent jaderné energie ve Finsku je odpovědný za
bezpečné nakládání s odpady včetně jeho uložení, přičemž na
něj připadají veškeré náklady
Fond pro nakládání s odpady v budoucnu musí být postupně
navyšován v průběhu doby životnosti elektrárny
The Radiation Act


prevence a omezení nebezpečných vlivů radiace
The Nuclear Liability Act

výrobci (držitelé licence) nesou neomezenou finanční odpovědnost
zdroj: Ministry of Employment and the Economy
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní
odpady Olkiluoto
• poloostrov s prostorem až pro 7 bloků jaderných elektráren s kompletním zázemím
1,2 – současné bloky OL1,OL2 – v provozu od 1979,1982 – BWR 2 x 860 MWe
3 – OL 3 ve výstavbě - EPR 1600 MWe
4 – další plánovaný blok JE
5 – mezisklad vyhořelého jaderného paliva
6 – hlubinné úložiště LLW a ILW
elektrárny využívají pro chlazení mořskou vodu
zdroj: TVO
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní
odpady Olkiluoto
• Výstavba
• 1988 – začátek výkopových prácí
• 1991 – testovací provoz
• duben 1992 – schválení provozu
• Umístění úložiště méně než kilometr od bloků elektrárny, není potřeba
permanentní obsluha zařízení
• Celková kapacita úložiště je 40 000 sudů s odpadem (objem sudů 200 l)
• Sudy jsou naplněny v elektrárně a po 16 uloženy do betonových
zásobníků, které jsou vždy po dvou transportovány pomocí vozidla do
úložiště
• Úložiště bude rozšířeno pro odpad
vzniklý při odstavení jednotlivých bloků
z provozu (OL1,OL2)
• Cena stavby v r. 1992 – 18 mil. UDS
ukázka plnění sudů s
odpadem
zdroj: TVO
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady
• Každý transportní cyklus odpadu trvá jeden a půl dne – zahrnuje
naložení kontejnerů v elektrárně, dopravu do úložiště, spuštění
kontejnerů do sila a zápis informací o souboru odpadů
• Produkce odpadů je přibližně 150 m3, což přestavuje 20
transportních cyklů (práce pro jednu osobu na 1,5 měsíce)
• K transportu je použito upravené vozidlo běžně používané pro
dopravu v přístavech – účinnější brzdy kvůli značnému klesání v
tunelu, apod. stejné vozidlo je možno využít pro přepravu paliva v
elektrárně
• Uložení odpadu
• stlačitelné odpady spolu se ztuženýmí tekutými odpady jsou
uloženy do sudů o objemu 200 l
• nestlačitelný odpad a větší kovové části jsou po redukci objemu
uloženy v kovových boxech o objemu 1,5 m3
• filtry a jejich příslušenství jsou uloženy též do boxů a následně v
zásobnících do příslušného sila
zdroj: TVO
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní
odpady Olkiluoto – současný stav
• v současné době
je vybudováno
úložiště pro LLW a
MLW (ILW) pro
bloky OL1 a OL2 –
v provozu od 1992
• úložiště je
projektováno pro
odpady vznikající
při provozu
jednotlivých bloků a
mělo by dostačovat
po celou dobu
životnosti elektrárny
schéma podoby úložiště
• s výstavbou bloků
OL3 a OL4 je v
plánu rozšíření
úložiště
zdroj: POSIVA
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní
odpady: popis stavby
vstup do objektu úložiště
dveře do tunelu
cesta transportním tunelem do haly se zásobníky
přístup do výkopového tunelu – používán
při konstrukčních pracích na úložišti
pozice v tunelu
tunel pro zavezení odpadů
do úložiště – cesta
dostatečně dimenzována
pro průjezd upraveného
transportního vozidla
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní
odpady: sledování geologických změn
skalní podloží úložiště není tvořeno celistvou
oblastí, ale existují zde zlomové plochy
sila jsou umístěna mimo oblast zlomu,
ale dopravní a konstrukční tunel danou
oblastí prochází (viz. obr.)
oblast zlomu je předmětem
kontinuálního sledování změn ve
čtyřech různých bodech
zobrazení plochy lomu a
zakreslení bodů měření
ukázka plochy
lomu
sledování vývoje
posunutí v čase
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní
odpady: současný stav
zásobníky LLW a MLW dostačující pro bloky OL1, OL2
zdroj: POSIVA
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady
k dopravě odpadů do úložiště slouží
speciálně vytvořené vozidlo
pomocí instalovaného jeřábu je box s
odpadem umístěn do
odpovídajícího sila
příprava vyložení materiálu
jeřábová hala
zdroj: POSIVA
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní
odpady
odpad v barelech je naložen do
boxů, které jsou v řadách na
sobě ukládány do zásobníků
pohled do zásobníku – současné zaplnění – 1/2
tuhý odpad
betonový box
betonový zásobník
výplňový materiál
hranice odstřelu
skalní podloží
vícevrstvá ochrana před průnikem
odpadů do životního prostředí
v úložišti probíhá pravidelné měření radiace
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní
odpady Olkiluoto – plánované rozšíření
• vybudováno
úložiště LLW a
MLW pro bloky OL1
a OL2
• znázorněny
připravované
zásobníky pro LLW
a MLW odpad z
budoucích bloků
OL3 a OL4
• zásobníky pro
radioaktivní odpad z
likvidace
jednotlivých bloků
(odstavení
elektrárny z
provozu)
schéma úložiště
zdroj: POSIVA
Vysoko-aktivní odpady - úvod
• jedná se o vyhořelé palivo z jaderné elektrárny
palivový cyklus:
1 - těžba uranové rudy (drcení, mletí,
vylouhování roztokem H2SO4, po
vysrážení se získá koncentrát ve formě
oxidu uranu - „žlutý koláč“)
2 – konverze oxidu uranu na plynný
hexafluorid uranu
3 – obohacení na 3-4% U-235
4 – produkce paliva (přeměna na pevný
oxid uraničitý ve formě válečků,
vytvoření palivové kazety)
5 – použití v JE
6 – mezisklad jaderného paliva
7 – konečné úložiště jaderného paliva
zdroj: TVO
Těžba uranu
• Uran je v přírodě zastoupen cca 500x více než zlato.
• Hloubka ložiska pod povrchem spolu s místními
geologickými podmínkami rozhodují o volbě mezi
povrchovým a podzemním způsobem těžby.
• Povrchová těžba vyžaduje vytvoření těžní jámy poněkud
větší, než je velikost rudného ložiska - sklon stěn musí být
takový, aby nemohlo dojít k jejich sesuvu.
• Množství materiálu, který musí být přemístěn pro zajištění
přístupu k ložisku, může být značné.
Uranový důl Mary
Kathleen v Austrálii
Těžba uranu
• Při hloubce ložiska větší než přibližně 200 m pod povrchem
je výhodnější podzemní způsob těžby.
• Vytěžený prostor se vyplňuje odpadním materiálem
z chemické úpravy.
• Kromě rizik vlivem působení hluku, vibrací, prachu,
chemikálií, výbušnin a možnosti sesuvu horniny, které jsou
vlastní všem těžebním činnostem, je těžba uranu spojena
s rizikem zevního a vnitřního ozáření.
Princip těžby uranu
vyluhováním
Rafinace uranu
• Výstupem z těžby a následné chemické úpravny je uranový
koncentrát UOC, tzv. „žlutý koláč“
• Z toho je potřeba ještě odstranit nežádoucí prvky –
• bór, kadmium (vysoký absorpční účinný průřez pro
tepelné neutrony)
• prvky tvořící těkavé fluory (Mo, V, W)
• prvky s vlastnostmi podobnými uranu (thorium)
• Rafinačními procesy získaný UOC je přes rozličné chemické
formy uranu (UO3, UO2, UF4) konvertován na hexafluorid
uranu UF6 případně na kovový uran.
• UF6 je jediná plynná sloučenina uranu vhodná pro stále
nejpoužívanější obohacovací postupy - difusní a odstředivý.
• Konverzí vzniklý plynný UF6 je nejprve stlačením a
ochlazením převeden do kapalného stavu, ve kterém je
přečerpán do přepravních kontejnerů. V nich postupně
chladne a přechází do tuhého stavu, v němž je transportován
do obohacovacího závodu.
Obohacování uranu
• Difuzní obohacování – ve směsi plynů se lehčí molekuly
pohybují rychleji než těžší – častěji narážejí na stěny – pokud
je stěnou membrána odpovídající velikosti molekul – směs
plynu za membránou má vyšší koncentraci lehčích molekul
• Odstředivé obohacování - Centrifugy se slučují do stupňů
(paralelně, pro zvýšení produkce) a do kaskád (sériově, pro
zvýšení stupně obohacení)
• Laserové obohacování - potenciální třetí generace
obohacovacích
technologií
vyznačující
se
nižšími
energetickými nároky a nižšími investičními náklady.
Centrifugy pro
obohacování uranu –
Novosibirský závod
Výroba peletek - Springfield
zdroj: http://www.nuclearsites.co.uk/
Palivová kazeta
• peletky
oxid uraničitý
palivo pro OL3
komponenty palivové kazety pro bloky OL1 a OL2
zdroj: TVO
Budova reaktoru
1 – tlaková nádoba reaktoru
2 – hlavní parní potrubí
3 – bazén s palivem
4 – servisní most reaktoru
5 – kolejový jeřáb
7 – pohon kontrolních tyčí
8 – kontejnment
pohled na
uzavřený reaktor
Výměna paliva v elektrárně
• při výměně paliva je nejprve bazén
reaktoru naplněn vodou – při
manipulaci s palivem vrstva vody
značně snižuje intenzitu
radioaktivního záření
• čerstvé palivo i použité palivo
odebrané z reaktoru je skladováno v
bazénu vedle reaktoru
• během jednoho roku uskladnění
paliva klesne úroveň radioaktivity na
1% původní hodnoty
zdroj: TVO
Výměna paliva v elektrárně
Zcela zásadní je správné
umístění palivových kazet v
reaktoru – kazety se liší stářím i
výkonem.
Rovnoměrná
distribuce energie v reaktoru
zaručuje vysokou bezpečnost
provozu a ekonomicky efektivní
využití paliva.
Např. v elektrárně Loviisa se
každý rok vymění 1/3 paliva v
reaktoru, v Olkiluotu je to 1/4
paliva.
Čerenkovovo záření palivové
tyče (Loviisa – Finsko)
zdroj: TVO
Dočasné úložiště paliva v elektrárně Olkiluoto
Po několika letech se palivo přemístí z bazénu vedle reaktoru do
dočasného úložiště. Bazén v úložišti má vlastní systém chlazení,
který odvádí teplo do moře (Olkiluoto). Zde zůstává palivo
uskladněno minimálně po dobu 40 let, pak je možný jeho převoz
do hlubinného úložiště.
zdroj: TVO
Hlubinné úložiště
Dochází zde ke konečnému (trvalému) uložení vysokoaktivního
odpadu.
Budované úložiště u elektrárny Olkiluoto
Složení čerstvého a použitého jaderného paliva
zdroj: TVO
Hlubinné úložiště
Znázornění uložení paliva do skalního podloží
Peletky – Palivová tyč a kazeta – Vnitřní mřížka – Měděný
kanystr – Betonová bariéra – Skalní podloží
zdroj: TVO
Hlubinné úložiště – geologický průzkum
Lokalita pro umístění hlubinného úložiště musí
splňovat řadu kritérií. Při geologickém průzkumu
dochází ke stanovení hlavních zlomových oblastí.
Těžební vzorky
zdroj: POSIVA
Hlubinné úložiště – rozvržení tunelů
Na základě stanovení zlomových oblastí pak bylo zvoleno
rozmístění tunelů úložiště.
Plánované rozmístění tunelů – Oblast s kapacitou pro uložení
vyhořelého paliva ze současných elektráren (6500 tun – zeleně),
plánované rozšíření o 9000 tun modře, 12 000 tun fialově.
Hlubinné úložiště – působící vlivy
Při návrhu způsobu uložení a kontejneru je nutno brát v potaz
řadu vlivů – chemické změny, účinek spodní vody, teplo
generované palivem, pohyb a rozpínání horniny, koroze apod.
Dvouvrstvé provedení kontejneru
pro vyhořelé palivo
Hlubinné úložiště – Onlako
Při budování úložiště je nutné zhotovit přístupové tunely, výtah a
ventilační šachty
Onkalo – název pro zařízení na vyhodnocování hornin v
podzemí při stavbě úložiště
Rozvržení přístupových tunelů
Provádění podzemních studií
Hlubinné úložiště – šachty a tunely
Napojení konstrukčních tunelů Onkalo na systém chodeb
úložiště
Objem úložiště při
různých množstvích
paliva
Hlubinné úložiště – postup stavby tunelů
Vzdálenost úložiště od areálu elektrárny
Vstup do tunelu
Uzavření kontejnerů před uložením v úložišti
Schéma budovy, která bude sloužit ke kompletaci kontejnerů, jejich
uzavření a kontrole před spuštěním do úložiště.
Varianty kontejnerů
Kontejnery na vyhořelé
palivo jsou odlišné pro 3
typy elektráren ve Finsku
Předpokládaný průběh prací na úložišti
Pokles radioaktivity v průběhu času v závislosti
na typu paliva
BWR – boiling water reactor (Loviisa)
VVER 440 – voroněžský typ (Olkiluoto 1 a 2)
EPR – european pressurised reactor (Olkiluoto 3)
Průběh teploty kontejneru v úložišti
Červená křivka zobrazuje průběh teploty kontejneru umístěného v centru
úložiště, modrá křivka pak teplotu kontejneru umístěného na okraji
úložiště. Teplota v úložišti v hloubce 400 m je 10-11°C.
zdroj: POSIVA
Kalkulace radiace v případě defektu kontejneru
Elektrárna Olkiluoto - princip varného reaktoru
•
k varu dochází při průchodu vody v prostoru mezi palivovými tyčemi (1)
•
výkon reaktoru je regulován pomocí regulačních tyčí (2) a recirkulačních čerpadel (3)
•
pára generovaná v reaktoru je potrubím dopravována do vysokotlaké turbíny (4)
•
jakmile pára předá část své energie ve vysokotlaké tubíně, je vedena do výměníku (5) kde dojde k
opětovnému ohřátí a pára pokračuje do nízkotlaké turbíny (6)
•
obě turbíny jsou na společném hřídeli spolu s generátorem (7), který dodává el. energii do sítě
•
pára na výstupu z turbíny pokračuje do kondenzátoru (8), kde kondenzuje na vodu
•
pro odvod tepla je použita mořská voda (9) – nahrazuje chladící věže
•
čerpadlo (10) vede vodu zpět do reaktoru
Budova reaktoru
1 – tlaková nádoba reaktoru
2 – hlavní parní potrubí
3 – bazén s palivem
4 – servisní most reaktoru
5 – kolejový jeřáb
7 – pohon kontrolních tyčí
8 – kontejnment
pohled na
uzavřený reaktor
Produkce elektrické energie z bloků
OL1 a OL2
počáteční výkon obou bloků v roce 1980 – 660 MWe
po modernizacích reaktoru a turbíny od r. 2005 výkon 860 MWe
Výměna paliva v elektrárně
bazén kompletně napuštěn vodou
výkon reaktoru odstraněno pomocí jeřábu
obsluha provádí výměnu paliva
Sestava turbín – OL1 a OL2
pára, která proudí v potrubí pochází přímo z reaktoru – prostor není z
důvodu vysokých dávek radioaktivního záření za provozu přístupný
po odstavení reaktoru trvá cca 8-12 hodin, než intenzita záření
poklesne na hodnoty, při kterých lze začít provádět údržbu