Jaderný reaktor na jaderný odpad: Princip fungování

Jaderný odpad je odpadem vznikajícím v odvětvích, kde se zpracovávají radioaktivní látky. V ČR je evidováno několik set producentů jaderného odpadu, kteří podléhají kontrole ze strany Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB).

U nízkoaktivních a středněaktivních odpadů dochází před samotným uložením ke zpracování (např. zahuštění a zpevnění kapalných odpadů, nebo lisování pevných odpadů). Zpracované odpady se naplní do sudů, které se zafixují cementem, či asfaltem a jsou vloženy do většího sudu (meziprostor je vyplněn betonem).

Na správné uložení dohlíží SÚJB, který kontroluje a schvaluje například nepřekročení limitu aktivity pro daný radionuklid, hmotnost sudu, dávkový příkon na povrchu sudu a další. Zpracování odpadů zajišťují firmy specializující se na práci s jadernými odpady.

U vysokoaktivních odpadů a vyhořelého jaderného paliva je situace složitější. Pro tyto odpady se plánuje do roku 2065 vybudovat hlubinné úložiště. Vyhořelé jaderné palivo se do této doby nejprve dochlazuje ve speciálních bazénech poblíž reaktoru, odkud se poté na několik desetiletí uskladní do tzv. V těchto meziskladech je vyhořelé palivo skladováno ve speciálních kontejnerech CASTOR.

Často se v souvislosti s vyhořelým odpadem z elektráren hovoří o možnosti jeho přepracování, nebo zpracování v reaktorech 4. generace. Nová generace reaktorů, které by měly přijít do komerčního provozu ještě v první polovině tohoto století, se ukazuje jako výhodnější z hlediska radioaktivních odpadů. Odpadů je menší množství a není nutné jej skladovat po stovky tisíc let.

Čtěte také: Německá řešení pro jaderný odpad

Dříve se rovněž uvažovalo o možnostech ukládání jaderného odpadu pod hladinu oceánů, nebo například o vypouštění jaderného odpadu do vesmíru.

V zahraničí se v současnosti připravuje výstavba uložiště například ve finském Olkiluoto, kde by měl být postaven první trvalý sklad vyhořelého paliva na světě. Zprovoznění se předpokládá ve dvacátých letech tohoto století a o spolupráci na jaderných projektech Finska a ČR před nedávnem informovalo české ministerstvo průmyslu a obchodu.

Jak je již uvedeno výše, v České republice se o ukládání radioaktivních odpadů stará SÚRAO a kontroly provádí SÚJB. Činnosti těchto institucí jsou financovány z tzv. jaderného účtu, který je vedený u ČNB a spravovaný ministerstvem financí.

Výběr lokalit pro hlubinné úložiště v ČR

V současnosti v ČR probíhá výběr lokalit vhodných pro budoucí úložiště. Umístění lokalit na mapě ČR. Na těchto lokalitách by proto v současnosti měla proběhnout tzv. první fáze výběru, tedy povrchový geofyzikální průzkum, který se skládá z odběru vzorků půdy v hloubkách od jednoho do pěti metrů.

Během tří až čtyř měsíců pomocí měření na povrchu (při pochůzkách v terénu) budou odborníci odebírat vzorky, aby následně mohlo být určeno ideální místo pro hluboký vrt (700 - 1000 m), který ověří geologickou stavbu území v hloubce. Vrtání do takové hloubky by pak mělo zabrat zhruba 4 měsíce.

Čtěte také: Jaderný odpad v ČR: Problémy a řešení

V budoucnosti bude o úložišti radioaktivních odpadů v ČR ještě zajisté hodně slyšet, protože rozhodnutí o finálním umístění, stejně jako následná stavba a uvádění do provozu je otázkou následujících desítek let.

Základní princip fungování jaderného reaktoru

Zjednodušeně můžeme říci, že jaderná elektrárna je tepelná elektrárna a od klasické tepelné elektrárny se liší v podstatě jen zdrojem tepla potřebného ke vzniku páry. Teplo nevzniká spalováním fosilního paliva, ale štěpením uranu U235 v jaderném reaktoru. Vzniklá pára pohání turbínu a generátor vyrábí elektrickou energii.

Jaderná část elektrárny (primární okruh) je soustředěna v hermeticky uzavřené betonové budově, tzv. ochranné obálce neboli kontejnmentu. Jaderný reaktor je zdrojem tepla, kterým se v parogenerátorech v sekundárním okruhu ohřívá voda až na teplotu varu a vzniklá pára se odvádí do nejaderné části.

V ochranné obálce jsou dále oběhová čerpadla pro zajištění proudění chladiva (vody) mezi reaktorem a parogenerátory. Nejaderná část elektrárny se prakticky neliší od běžné tepelné elektrárny a je tvořena sekundárním a chladicím okruhem.

Horká pára z parogenerátorů se přivádí do vícestupňové parní turbíny. Roztočená turbína pohání generátor elektrického proudu, který se po transformaci na velmi vysoké napětí přivádí do rozvodné sítě. Z turbíny přichází pára do kondenzátoru, ve kterém po ochlazení zkapalní a vrací se zpět do parogenerátoru. Chlazení páry zajišťuje voda, cirkulující chladicím okruhem mezi kondenzátorem a chladicími věžemi.

Čtěte také: Bezpečnost jaderných úložišť

Palivo, moderátor a chladivo

Jako palivo se v tepelných reaktorech nejčastěji používá obohacený uran, který obsahuje vyšší procento nuklidu než uran přírodní. Výroba tohoto paliva obohacováním uranu vyžaduje náročnou technologii a zabývá se jí jen několik průmyslově vyspělých států světa.

Neutron, který vzniká jaderným štěpením, má průměrnou energii přibližně 2 MeV. Aby ovšem mohl štěpit neklid , musí mít tento neutron energii řádově menší než jednotky elektronvoltů. Zpomalení neutronu probíhá při jeho srážkách s jádry moderátoru. Jako moderátor, ke zpomalování neutronů, se používá nejčastěji voda, grafit nebo těžká voda, …

Důležitou vlastností moderátoru je také co nejmenší absorpce neutronů, protože tyto neutrony chceme využívat k dalšímu štěpení jader. Pokud by moderátor neutrony absorboval, neutrony by byly pro další štěpnou reakci nevyužitelné. Absorpce neutronů v látce závisí především na složení jádra daného prvku.

Sjednocením těchto dvou požadavků na moderátor vychází jako nejlepší moderátor těžká voda (výborné zpomalení a téměř nulová absorpce). Je však nutné ji mít ve vysoké koncentraci (více než 90 %). což je ovšem velice drahé, a proto se příliš nepoužívá. Tento typ moderátoru umožňuje používat palivo s přírodním obohacením uranu (to činí přibližně 0,7 %). Dalším moderátorem v pořadí je uhlík.

Nejvíce je přesto v praxi využívána lehká voda (výborně moderuje ale více absorbuje), protože může plnit i funkci chladiva a navíc má dobře známé chování při různých tlacích a teplotách.

Chladivo slouží k odvádění tepla z reaktoru, a jde-li o reaktor energetický i k tvorbě páry k pohonu turbíny. Nejčastěji je to voda, , těžká voda, … Vysokoteplotní reaktory pro průmyslové účely bývají chlazeny heliem.

Radioaktivní odpady a jejich zpracování

Podobně jako v jiných průmyslových odvětvích vznikají i při výrobě jaderné energie a používání radioaktivních nuklidů odpady nejrůznějšího druhu. Jen malá část plynných a kapalných odpadních radioaktivních látek se vypouští do atmosféry, řek a oceánů. Většina radioaktivních odpadů se zpracovává a jistou dobu uchovává izolovaně od životního prostředí, aby nepředstavovaly pro lidstvo riziko ani v současnosti ani v budoucnosti.

Z praktických důvodů se radioaktivní odpady třídí na nízko (N), středně (S) a vysoce (V) aktivní odpad. Hlavním kritériem pro zařazení odpadu do těchto tříd je jeho měrná aktivita nebo teplo uvolňované v jeho hmotě při absorpci emitovaného záření.

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.

Úložiště radioaktivních odpadů

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

1. jednoduchá podpovrchová úložiště - příkopy (nejlépe v jílovitém terénu) zahloubené několik metrů pod povrch země.
2. 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.

Po přechodnou dobu je vysoce aktivní odpad uchováván na teritoriu jaderné elektrárny, a pokud není určen k dalšímu přepracování, je přemisťován do tzv. meziskladu. Tam je odpad uložen po dobu asi 40 let, než přestane produkovat příliš mnoho tepla a může být uložen v konečném hlubinném úložišti, kde bude uchováván mnoho tisíc let.

Možnosti budoucího ukládání radioaktivních odpadů

Radioaktivní odpady je nutné nakonec nějakým způsobem uložit. Uvažuje se o podzemních a podmořských úložištích. Ukládání v geologických formacích pod mořským dnem. Další možností by také mohlo být čedičové podloží pod mořským dnem. Přestože má tato koncepce bezesporu mnoho výhod, např. nedotknutelnosti mezinárodních vod.

Hlubinné úložiště si lze představit jako systém bariér, které mají zabránit proniknutí radionuklidů do biosféry. Jednotlivé bariéry jsou navrhovány ve vztahu k funkci celého systému. Důležité je, že se nejedná o systém jedné bariéry a při selhání takovéto bariéry by se zhroutil celý systém.

Základem správného návrhu konstrukce hlubinného úložiště je dobrý průzkum. Při ražbě hlubinného úložiště, je možné použít jen omezený počet metod. Používají se geofyzikální a radiogeologické metody.

Vysoce radioaktivní odpad je ukládán při procesu zvaném vitrifikace do kontejneru. Pro výrobu kontejnerů se uvažují jednak hlediska bezpečnosti (různé nehody - např. pád letadla), jednak co největší životnost. Aby se zpomalila koroze kontejneru, používají se inženýrské bariéry, tzv. geotechnická bariéra. Jako materiál pro geotechnickou bariéru se používá bentonit, protože má ve srovnání s ostatními materiály nejstálejší reologické vlastnosti - tzn. že se chová stejně po dobu tisíců let.

Provoz jaderného reaktoru a regulace štěpné reakce

Provoz jaderného reaktoru je tedy založen na možnosti ovládat a regulovat řetězovou jadernou reakci. Jejím základním ukazatelem je tzv. multiplikační faktor k:

• 1 - počet neutronů během reakce neustále narůstá a proces má charakter exploze
• - kritický stav; počet neutronů zůstává vyrovnaný, řetězová reakce probíhá se stále stejnou intenzitou
• 1 - podkritický stav; počet neutronů se neustále zmenšuje a řetězová reakce ustává

Vývoj jaderné energetiky v Československu a České republice

V roce 1954 byl vyroben první elektrický proud "z jádra". V Československu bylo potřeba hledat zdroj pro pokrytí potřeby rychle se rozvíjejícího průmyslu. Jako velice přitažlivá se jevila jaderná energie. Výzkum probíhal v Řeži u Prahy. Zde byl 24.10.1957 spuštěn experimentální reaktor. Následně byla zahájena výstavba jaderné elektrárny v Dukovanech. První reaktorový blok byl uveden do provozu 4. čtvrtý blok 20. července 1987.

Produkce a typy radioaktivních odpadů

Při provozu jaderného reaktoru vznikají různé radioaktivní látky. Většinu z nich (cca 99%) tvoří štěpné produkty uzavřené v palivových článcích. Radioaktivní látky vytvářejí tzv. budoucí populaci a je nutné zabránit jejich rozptýlení do životního prostředí.

Nízkoaktivní odpady tvoří asi 90% veškeré produkce radioaktivních odpadů. Značnou část radioaktivních odpadů jako celku lze chladit a lze je ukládat do povrchových úložišť. Nízkoaktivní odpad bývá před uložením zpopelněna. Středně aktivní odpad vyžaduje stínění, ale uvolňované teplo je malé. Vysokoaktivní odpad vzniká ozářením jaderného paliva v reaktoru. Vyžaduje chlazení a stínění.

Vyhořelé palivové články z jaderných elektráren procházejí procesem zvaném vitrifikace. Vitrifikace je technologie, při které se odpad smíchá se sklem a zataví se do speciálních kontejnerů. Kontejnery jsou pak uloženy v hlubinném úložišti. Odpad se rozpadá sto tisíc i více let.

Počáteční fáze palivového cyklu, tj. těžba uranu, výroba paliva a provoz jaderných elektráren jsou zvládnuty v rozsáhlém průmyslovém měřítku. Zásadní problémy se objevují až v závěrečné fázi palivového cyklu, tj. při přepracování vyhořelého paliva a likvidaci příslušných odpadů. Způsob úpravy a uložení závisí na typu a skupenství odpadu. Důležité je maximálně zabránit úniku těchto látek do životního prostředí a případně umožnit jejich opětné využití.

Způsoby skladování vyhořelého paliva

Skladovací nádrže, které se dnes používají, jsou naplněny vodou. Vyhořelé palivo je uloženo pod hladinou. Chlazení vody zajišťuje tepelný výkon z rozpadu štěpných produktů. Z ekonomickým problémům se nejdříve umísťují do meziskladů. Cílem je snižování radioaktivity a postupnému chladnutí ve skladovacích zařízeních.

Suchá metoda skladování palivových článků je založena na ukládání do speciálních kontejnerů v úložišti. Chlazení probíhá proudícím vzduchem. Touto metodou lze ukládat do finálních úložišť například vyhořelé palivo.

Povrchová úložiště v ČR

V ČR se využívají povrchová úložiště pro institucionální odpady. Část těchto odpadů je zpopelnitelná. Ukládaného odpadu se co nejvíce zmenšuje objem a uzavírá se do bezpečného obalu. Fixace je provedena “zacementováním“ do 500 litrových sudů. Během uložení v úložišti se musí počítat s vlivy vnějšího prostředí, patří koroze, tepelná pnutí atd. Po naplnění se úložiště uzavřou a po dobu řádově v desítkách let se monitorují. Po této době se předpokládá, že nebudou dále ohrožovat životní prostředí.

První úložiště bylo vybudováno v podzemního lomu Alkazar u Hostími v roce 1959. Toto úložiště je uzavřeno. Důvodem uzavření byla nedostatečná ochrana proti násilnému vniknutí. V roce 1997 zaplněním všech prostorů úložiště betonem. Další úložiště se nachází v dolu Richard II u Litoměřic. Toto úložiště je stále v provozu. Třetí úložiště pro institucionálního odpadu se nachází v důlním komplexu Bratrství u Jáchymova. Používá se výhradně k ukládání odpadů s přírodními radionuklidy.

Provozní odpady a jejich ukládání

Provozní odpady vznikají v provozech jaderných elektráren. Jsou to např. povlaky paliva, konstrukční materiály palivových souborů atd. Tyto odpady jsou lisovány a posléze fixovány tak, aby neznečišťovaly okolní prostředí. Provozní odpady se ukládají v areálu jaderné elektrárny Dukovany. Úložiště je tvořeno 112 jímkami ve 4 řadách. Úniku radioaktivních látek zabraňuje soustava inženýrských bariér s dlouhodobou životností. Například sudy jsou vyplňovány maltovou směsí.

Doba kontroly povrchového úložiště Dukovany se odhaduje na 300 let. V budoucnu se uvažuje o snížení produkce odpadů vzhledem ke zlepšujícím se technologiím v jaderném průmyslu a zavedení nového typu paliva, kterým se sníží množství provozních odpadů.

tags: #jaderný #reaktor #na #jaderný #odpad #princip

Oblíbené příspěvky:

• Vývoj klimatu v ČR
• Francouzská továrna v Číně
• Spalování biologického odpadu v nemocnicích
• Znečištění a obojživelníci: smrtelná kombinace
• Odpad, daně a zákony