Radioaktivní Izotopy v Jaderném Odpadu: Složení a Likvidace

V oblasti jaderné energetiky je likvidace radioaktivního odpadu již dlouho velkým problémem. Zatímco primární pozornost je často věnována bezpečnosti provozu štěpných jaderných reaktorů, problém nakládání s radioaktivním odpadem - který představuje riziko po tisíce let - vyžaduje okamžitou pozornost. Svět se stále více zajímá o technologii jaderného štěpení, protože hledá náhradu za fosilní paliva.

Složení Radioaktivního Odpadu

Radioaktivní odpad může obsahovat jakýkoliv radionuklid. Aby byl odpad obsahující radionuklidy považován za radioaktivní, potom jejich aktivita v odpadu musí být vyšší než jsou tzv. uvolňovací úrovně, tj. hodnoty aktivit pro jednotlivé radionuklidy znamenající již minimální zdravotní riziko.

Vyhořelé palivo může být samo o sobě radioaktivním odpadem, pokud jej za radioaktivní odpad prohlásí původce. Obsah radionuklidů a jejich složení ve vyhořelém palivu je dán mírou jeho obohaceni a stupněm vyhoření. Vyhořelé jaderné palivo obsahuje zbytkový izotop ²³⁵U, dále ²³⁸U, ²³⁹Pu, izotopy Am a Cm a řadu štěpných produktů a dceřiných produktů jejich rozpadových řad.

Institucionální odpady obsahují radionuklidy, které jsou využívány v průmyslu, zdravotnictví, ve výzkumu a ve školství (např. ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ³H a ¹⁴C).

Vyhořelé jaderné palivo obsahuje přibližně 1 % ²³⁵U, 93 % ²³⁸U a přibližně 1 % ²³⁹Pu. Tedy stále kolem 95 % paliva je nevyužité.

Čtěte také: Přírodní izotopy uhlíku

Typy Radioaktivního Odpadu a Jejich Zpracování

Podobně jako v jiných průmyslových odvětvích vznikají i při výrobě jaderné energie a používání radioaktivních nuklidů odpady nejrůznějšího druhu. Z praktických důvodů se radioaktivní odpady třídí na nízko (N), středně (S) a vysoce (V) aktivní odpad.

• Nízkoaktivní odpady: Tvoří asi 90 % veškerých radioaktivních odpadů. Z radioaktivních provozů, jako jsou drtě, kovy, papírové a plastikové obaly, nářadí a ochranné oděvy tvoří objemově značnou část radioaktivních odpadů jako celku. Tyto látky lze ukládat do povrchových úložišť. Spalitelná část těchto odpadů bývá před uložením zpopelněna.
• Středně aktivní odpady: Tento odpad nemůže být zařazen do kategorie nízkoaktivního odpadu, ale zároveň nevyžaduje speciální zacházení jako vysokoaktivní odpad. Při manipulaci a přepravě středně aktivního odpadu je nutné stínění, ale uvolňované teplo je malé. Jedná se o servisní materiály, jako jsou povlaky paliva, konstrukční materiály palivových souborů, nečistoty ve formě kalů, náplně kolon chemické úpravy chladiv, moderátorů, ale i zařízení na úpravu vyhořelého paliva.
• Vysokoaktivní odpady: Tento odpad uvolňuje značné množství tepla - vyžaduje chlazení a stínění. Více než 90 % tohoto druhu odpadu tvoří vyhořelé palivové články z jaderných elektráren. Zásadním nebezpečím vysoce aktivních odpadů je velká koncentrace radioaktivních a extrémně dlouhodobých radionuklidů, s poločasem rozpadu sto tisíc i více let. Odborníci uvádějí, že nejnebezpečnější doba je prvních zhruba 300 let. Ze všech radioaktivních odpadů představují vysoce aktivní odpady nejmenší množství co do objemu, ale obsahují 90 % veškeré radioaktivity.

Úprava a zpracování radioaktivního odpadu před jeho uložením závisí na typu a skupenství odpadu. Úprava N a S aktivních pevných odpadů spočívá pouze ve zmenšení jejich objemů lisováním do ocelových sudů nebo beden. Sudy se většinou umísťují do větších sudů a zalévají se betonovou směsí tak, aby mezi stěnami obou sudů vznikla betonová vrstva několik centimetrů silná. Z vysoce aktivních odpadů se zpracovávají jenom kapalné odpady vznikající při přepracování vyhořelého paliva. Většina z nich se zatím uchovává v ocelových nádržích v přepracovatelských závodech. Zpracovaný radioaktivní odpad se ve vhodných kontejnerech ukládá na úložiště, kde se skladuje izolovaně od okolního prostředí. Konstrukce a vybavení úložiště závisí na aktivitě a charakteru odpadu.

Typy Úložišť Radioaktivního Odpadu

Radioaktivní odpady nízké a střední aktivity z průmyslu, výzkumu, nemocnic, … se obyčejně skladují v podzemních úložištích (např. bývalé solné doly, hlubiny skalních masívů, …).

• Jednoduchá podpovrchová úložiště: Příkopy (nejlépe v jílovitém terénu) zahloubené několik metrů pod povrch země.
• Úložiště s betonovými jímkami: Jímky jsou obdélníkové prostory s podložní deskou, které jsou umístěny na povrchu terénu nebo zahloubeny pod jeho povrch. Ukládají se do nich sudy nebo bedny s odpadem.

Hlubinné Ukládání Radioaktivního Odpadu

Hlubinné úložiště radioaktivních odpadů a vyhořelého jaderného paliva je jedním z nejvýznamnějších projektů ochrany životního prostředí naší generace, který strategicky od roku 1997 připravuje Správa úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO). Hlubinné úložiště je připravováno pro potřebu uložení vyhořelého jaderného paliva a ostatních radioaktivních odpadů, které nesplňují podmínky přijatelnosti do stávajících úložišť, vzniklých na území České republiky.

Podle koncepce nakládání s VJP a RAO bude kapacita hlubinného úložiště sloužit pro všechny současně provozované jaderné zdroje a tři nové zdroje, které vzniknou v budoucnu na našem území. Hlubinné úložiště zajišťuje dlouhodobou izolaci uložených odpadů tzv. multibariérovým systémem neboli skupinou přírodních a technických bariér i konstrukčních řešení, které fyzicky brání úniku radionuklidů do biosféry po dobu nebezpečnosti těchto odpadů.

Čtěte také: Stabilní izotopy kyslíku

Podle těchto technických návrhů bude nepřepracované vyhořelé jaderné palivo v hlubinném úložišti trvale uloženo v krystalinických horninách na úrovni tzv. Řešení hlubinného úložiště předpokládá základní rozdělení stavebních objektů celého komplexu úložiště do povrchového a podzemního areálu.

Podzemní areál je klíčovou částí, která zajišťuje dlouhodobou bezpečnost celé stavby, slouží k překládce VJP a ostatních RAO z přepravních obalových souborů do ukládacích obalových souborů, dále k jejich dopravě na místo uložení na ukládací horizont a k samotnému finálnímu uložení odpadů v ukládacích prostorách hlubinného úložiště.

Multibariérový Ukládací Systém

Multibariérový ukládací systém pro uložení vyhořelého jaderného paliva je založen na použití dvouvrstvého ukládacího obalového souboru. Jedná se o dvouplášťový tlustostěnný obalový soubor složený z vnějšího obalu a vnitřního pouzdra. Pro vnější obal a jeho komponenty byla jako konstrukční materiál zvolena uhlíková ocel a pro vnitřní pouzdro a jeho komponenty korozivzdorná ocel.

UOS je obklopen bentonitovou výplní, tzv. bufferem, a je umístěn do ukládacího vrtu. Zavážecí chodby budou vyplněny výplňovým materiálem (backfill) a uzavřeny tlakovými zátkami, to vše v hloubce stabilního horninového prostředí.

Hostitelská Hornina

Hlavní bezpečnostní funkcí horninového prostředí je dlouhodobá izolace vyhořelého jaderného paliva a ostatních radioaktivních odpadů od podmínek v biosféře za předpokladu zajištění příznivých podmínek pro prvky inženýrských bariér a komponent, zpomalení rychlosti transportu radionuklidů i v případě, že by došlo k porušení UOS. V České republice byly zvoleny jako vhodné hostitelské prostředí krystalinické horniny, ve kterých byly na základě vědecko-výzkumných prací vytipovány lokality vhodné pro umístění hlubinného úložiště. V roce 2020 došlo ke zúžení počtu těchto lokalit z devíti původních na čtyři.

Čtěte také: 16O a 18O v paleoklimatologii

Hlubinné úložiště je, vzhledem ke své technické náročnosti, v České republice strategicky připravováno Správou úložišť radioaktivních odpadů od roku 1997, kdy byly zahájeny práce na výběru vhodné lokality a získání jejího detailního popisu. Ukončení etapy výběru vhodné lokality je plánováno do roku 2030, kdy by měla být nejpozději vybrána finální a záložní lokalita.

Skladování Vyhořelého Jaderného Paliva (VJP)

VJP je skladováno v areálech jaderných elektráren ve skladech VJP, které jsou jaderným zařízením. VJP je umístěno v přepravních a skladovacích obalových souborech, kterých typy jsou schváleny SÚJB. Po vyjmutí VJP z jaderného reaktoru se umístí do bazénu skladování VJP vedle reaktoru, kde je umístěno 5-10 let, kdy dochází k jeho dochlazování. Stíněním a odvod zbytkového tepla zabezpečuje vodní náplň bazénu.

Poté je VJP přesunuto do typově schváleného přepravního a skladovacího obalového souboru a přesunuto do skladu VJP, přímo v areálu jaderné elektrárny, na dalších přibližně 50 let. Poté by měl být obalový soubor s VJP přemístěn do povrchového areálu HÚ, k přípravě na uložení (přebalení do ukládacího obalového souboru) a posléze bude VJP v ukládacím obalovém souboru uloženo v podzemní části HÚ.

Aktivita a Teplo Vyhořelého Paliva

Aktivita jaderného paliva v aktivní zóně reaktoru je značná, nicméně již během čtyř dní po odstavení reaktoru a před zahájením vyvážení jaderného paliva klesne jeho tepelný výkon o řád na hodnotu desítek kW na jeden palivový soubor. Vyhořelé jaderné palivo se poté přesunuje do bazénu skladování, kde je několik let chlazeno. V tomto období se nepředpokládá žádná jiná manipulace z důvodu stále vysokého tepelného výkonu a aktivity.

Pro dlouhodobé skladování vyhořelého jaderného paliva byla v českých jaderných elektrárnách vybrána technologie suchého skladování. Obalové soubory pro vyhořelé jaderné palivo byly navrženy s ohledem na parametry tohoto paliva.

V jednom přepravním a skladovacím obalovém souboru (OS) se nachází zhruba 10 t TK (těžkého kovu, tj. U a Pu). Obsah plutonia ve VJP je přibližně 1 %, tedy jeho hmotnost v OS bude kolem 0,1 t. Toto platí pro obalové soubory používané jak v EDU, tak i ETE.

Celková kapacita HÚ musí pokrýt množství VJP vyprodukovaného v obou našich jaderných elektrárnách za celou dobu jejich provozu i VJP z plánovaných nových jaderných zdrojů (dostavba nových bloků na ETE i EDU) za celou dobu jejich provozu a odhaduje se na cca 9 000 t TK.

Nové Metody Zpracování Radioaktivního Odpadu

Švýcarská firma Transmutex, která se zabývá jaderným štěpením, objevila novou metodu, která by mohla snížit radioaktivitu jaderného odpadu až o 80 %. Metoda společnosti Transmutex je založena na transmutaci prvků - procesu přeměny jednoho prvku na jeho izotop nebo jiný prvek. S využitím urychlovače částic navrhují výzkumníci společnosti přeměnit mírně radioaktivní prvek, jako je thorium, na izotop uranu. Tento nově vzniklý uran lze okamžitě zpracovat přímo v připojené jaderné elektrárně.

Jaderní fyzici z Princetnoských laboratoří fyziky plazmatu (PPPL) a Amerického ministerstva energetiky (US DoE) navrhli nový způsob zpracování jaderného odpadu, který využívá centrifugy na plazmové bázi. Tato metoda je založena na plazmové filtraci hmoty, která může doplnit stávající chemické postupy. Proces začíná rozprašováním a ionizací nebezpečného odpadu a usměrněním na rotační filtr, takže jednotlivé prvky jsou ovlivňovány elektrickým a magnetickým polem. Filtr pak odděluje od sebe lehčí a těžší prvky pomocí odstředivých a magnetických sil.

Vitrifikace a Bitumenace

Roku 2000 začali inženýři z Hanfordu budovat zařízení, které dokáže uchovat jaderný odpad ve skleněné matrici. Metoda známá jako „vitrifikace“ se využívá od roku 1996. Vitrifikace je proces zatavení materiálu do skla. Pro snížení nákladů na vysokoúrovňovou vitrifikaci a následné ukládání je výhodné snížení celkového počtu skleněných matric zvýšením hustoty vysokoaktivního odpadu.

Pro snížení množství vitrifikovaného (glazovaného) odpadu se oddělí neaktivní a nízkoaktivní části jako hliník, železo a další prvky, které jsou likvidovány jednodušší formou. Nízkoaktivní odpady jsou odděleny a jako vedlejší produkt likvidovány méně nákladnými metodami. Například jednodušším zalitím do roztaveného asfaltu (bitumenace). Bitumenace je vytvoření směsi odpadního materiálu s kapalnou hmotou, která následně působením vnějších vlivů ztuhne.

Světová Situace

K 1. únoru 2019 bylo ve 30 státech světa podle statistik WNA (World Nuclear Association - Světová jaderná asociace) v provozu 445 jaderných reaktorů s celkovou instalovanou kapacitou 395 657 MWe. Ve výstavbě je jich 57 ve 17 zemích.

Recyklace Vyhořelého Jaderného Paliva

Pokud se ukáže hrozba rostoucí koncentrace CO2 pro vývoj klimatu opravdu tak veliká, jak předpokládají některé scénáře, bude třeba zrychlit cestu k bezemisní energetice. V klasických jaderných energetických reaktorech se většinou využívá nízko obohacené palivo, ve kterém je v uranu zhruba okolo 5 % izotopu uranu 235. Efektivita a potřeba recyklace je dána celkovou intenzitou využívání jaderné energetiky.

Uran a plutonium získané z vyhořelého jaderného paliva lze i v klasických reaktorech využívat již nyní. V současnosti budované klasické reaktory jsou schopné zčásti (zhruba z 30 %) použít palivo MOX. Nejčastěji narazíme na tento typ paliva v reaktorech ve Francii, Velké Británii, Japonsku a Indii.

Hydrogeologické Podmínky a Bezpečnost HÚ

Dlouhodobá stabilita a vývoj hydrogeologických podmínek jsou v procesu výzkumu a vývoje HÚ studovány především prostřednictvím paleohydrogeologických procesů, resp. vlivu změn vlastností geosféry na vývoj transportu z prostoru HÚ do biosféry. Cílem těchto prací je výzkum možných dlouhodobých geologických, geomorfologických a klimatických změn a jejich vlivu na vývoj transportu radionuklidů z prostoru HÚ do biosféry.

Je a po celou dobu HÚ bude studován nejen jejich současný geologický a hydrogeologický stav lokality, ale také geologické, geomorfologické a klimatické změny v minulosti. Podstatou bezpečného uložení jakéhokoliv RAO je jeho dlouhodobá izolace od životního prostředí až do doby, kdy jeho radioaktivita klesne na úroveň srovnatelnou s radioaktivitou hostitelského prostředí.

Využití Betonu v HÚ

Beton představuje v HÚ důležitou komponentu. Využívá se pro imobilizaci vysoko a středně aktivního odpadu, výplně volných prostor úložiště a další konstrukční prvky úložiště. Velkou výhodou betonu pro imobilizaci radioaktivního odpadu je jeho vysoké pH, které snižuje mobilitu velkého množství různých radionuklidů.

Úložiště v ČR

V České republice jsou v současnosti (2024) v provozu tři úložiště nízko a středně aktivních odpadů. Jedno se nachází v bývalém vápencovém dole u Litoměřic je to úložiště Richard. Druhé v uranovém dole u Jáchymova Bratrství. A poslední se nachází v jaderné elektrárně Dukovany. Odpady jsou do těchto úložišť ukládány podle původu a aktivity. A obce, v jejichž katastru se nacházejí, dostávají kompenzaci.

SÚRAO

V České republice zodpovídá za skladování radioaktivních odpadů stát prostřednictvím SÚRAO (Správa úložišť radioaktivních odpadů). Peníze získává jednak od státu formou dotací, a jednak od původců jaderného odpadu.

V České republice se v současnosti počítá s umístěním zhruba 9,5 tisíce tun použitého paliva a kolem 4,5 tisíce kubíků ostatních druhů radioaktivních odpadů, jako jsou odpady z vyřazování jaderných elektráren. Předpokládá se, že celkové náklady na demontáž odstavených elektráren a další výdaje za provoz jaderné energetiky budou stát celkem na 559 miliard korun.

Tabulka: Typy radioaktivního odpadu a jejich vlastnosti

tags: #izotopy #v #radioaktivním #odpadu #složení

Oblíbené příspěvky:

• Povodí Konga: Charakteristika
• Proces recyklace PET
• Znečištění zemědělské půdy: 3 klíčové příčiny
• Příčiny doutnání odpadkových košů
• Snížení emisí v průmyslu