INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
CZ.1.07/1.1.00/08.0010
CYKLUS JADERNÉHO PALIVA Mgr. DAGMAR AUTERSKÁ, Ph.D.
TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
7 Cyklus jaderného paliva PŘED VLOŽENÍM DO REAKTORU: PŘÍPRAVA PALIVA V REAKTORU: SPOTŘEBA PALIVA PO VYJMUTÍ Z REAKTORU: OPĚTNÉ ZPRACOVÁNÍ JADERNÉHO ODPADU
CEA
Od uranových dolů k uskladnění odpadu
1
Str. 2
Použité palivo uložené do chladícího bazénu přímo na místě. Zůstane tam tři roky.
Obsah Před vložením do reaktoru: příprava paliva 4 Těžba uranu z rudy 5 Koncentrace a rafinace (čištění) uranu 6 Obohacování uranu 6 Různé metody obohacování 8 _____________________________________________ V reaktoru: Spotřeba paliva 9 Příprava vazby, smontování paliva 10 Spotřebování uranu 10 Degradace paliva 11 ______________________________________________ Zpracování po vyjmutí z reaktoru 12 Předměty zpracování 13 Extrakce produktů štěpení 13 Recyklace paliva 14 ______________________________________________ Jaderný odpad 16 Produkce jaderného odpadu ve Francii 17 Třídění a skladování radioaktivního odpadu 18 Výzkum v oblasti odpadu s dlouhou dobou rozpadu 19
2
Str. 3
Úvod
Těžba uranové rudy se uskutečňuje buď v povrchových dolech – na fotografii doly Mc Clear v Kanadě – nebo v hlubinných.
„Cyklus jaderného paliva, který začíná těžbou uranu a končí uskladněním radioaktivního odpadu, zahrnuje velké množství průmyslových operací.“ Palivo je látka, která při vlastním hoření dodává teplo. Nejznámějšími palivy jsou dřevo, uhlí, přírodní plyn nebo nafta. Analogicky je tudíž uran, používaný v jaderných elektrárnách, nazván jaderným palivem, neboť také uvolňuje teplo, i když to tentokrát není spalováním, ale štěpením. Jaderné palivo může být po svém využití v jaderném reaktoru znovu zpracováno s cílem extrahovat z něj energetické recyklovatelné látky. Z tohoto důvodu mluvíme o uzavřeném cyklu jaderného paliva. Tento cyklus zahrnuje následující etapy: těžbu uranu z horniny výrobu paliva jeho použití v reaktoru zpracování vyhořelého paliva zpracování a uskladnění odpadu Jaderné palivo dodává na jednotku nebo hmotnost, např. na kilogram, mnohem více energie než fosilní palivo (uhlí nebo ropa). Jeden kilogram uranu použitý v tlakovodních reaktorech vyprodukuje 10 000krát více energie než kilogram uhlí nebo ropy v tepelné elektrárně. Navíc palivo zůstane dlouho (více let) v reaktoru na rozdíl od klasických paliv, které shoří rychle. Jaderné palivo se liší i tím, že uran musí projít řadou operací mezi vytěžením a použitím v reaktoru. Pro zjednodušení se budeme na následujících stránkách zabývat jaderným palivem používaným v tlakovodních elektrárnách (REP). V podstatě jsou jaderné elektrárny tvořené jedním či několika bloky REP ve světě nejrozšířenější. (viz tematická brožura Provoz jaderného reaktoru).
3
Str. 4 PO VYTĚŽENÍ OBOHACEN.
V DOLE
JE URAN
VYČIŠTĚN,
KONCENTROVÁN
A
Před vložením do reaktoru: Příprava paliva
4
Str. 5 Zjednodušený aktuální cyklus nukleárního paliva ve Francii Přírodní uran-těžba rudy- zahuštění- konverze- obohacení-ochuzený uran na U235 červený okruh uskladnění- výroba paliva-palivo Max-uskladnění paliva Max modrý okruh: palivo UO2 – tlakovodní reaktor s tepelnými neutrony-použité palivo UO2 – jeden výstup továrna na zpracování-odpad-definitivní úložiště (3% použitého paliva, 0,5% přírodního vytěženého paliva- 2. výstup-úložiště
ZÍSKÁNÍ URANU Z NEROSTU Uran je kov relativně hodně rozšířený v zemské kůře (50krát více než např. rtuť). Jako většina kovů, se uran netěží přímo v čisté podobě, protože v přírodní stavu se v hornině nachází v kombinaci s jinými chemickými prvky. Nejbohatší horniny na uran jsou uranové rudy (to znamená ty, co obsahují uran) jako například uraninit a smolinec. Palivový cyklus tudíž začíná těžbou uranové rudy v povrchových nebo hlubinných dolech. Nejznámější naleziště se nacházejí v Austrálii, ve Spojených státech, v Kanadě, Africe, Rusku. Str. 6 „Pro zvýšení obsahu uranu jsou nerosty rozdrceny a jemně rozemlety. Získaný koncentrát je nazýván yellow cake-žlutý koláč“.
5
TVORBA KONCENTRÁTU A RAFINACE URANU Obsah uranu v rudě je obecně dosti nízký. Například ve Francii každá tuna nerostu obsahuje od 1 do 5kg uranu (nebo mezi 0,1 až 0,5%). Je tedy nezbytné vytvořit koncentrát uranu z těchto nerostů, což se nejčastěji provádí přímo na místě. Nerosty jsou nejdříve rozdrceny a pak jemně rozemlety a z této směsi se různými chemickými procesy získá uran. Vyrobený koncentrát má vzhled žlutého těsta nazývaného „yelow cake“. Obsahuje téměř 75% oxidu uranu (což představuje 750 kg na tunu). Uran je kov, který v kontaktu se vzdušným kyslíkem rychle oxiduje a přeměňuje se na oxid uranu
Koncentrát uranu jako takový nemůže být v jaderném reaktoru používán. Oxid uranu musí být nejdříve zbaven nečistot prostřednictvím různých etap čištění (rafinace). Vyčištěný je poté přeměněn na fluorid uraničitý (UF4) skládající se ze 4 atomů fluoru a z jednoho atomu uranu.
OBOHACOVÁNÍ URANU K zásobení tlakovodních reaktorů je třeba mít palivo, v němž se podíl uranu 235 nachází mezi 3-5%, neboť pouze u tohoto izotopu uranu může dojít k jadernému štěpení uvolňujícímu energii (viz brožura Provoz jaderného reaktoru.)
Str. 7 Hloubení ve zmrzlém terénu v dole MCArthur (Canada) Avšak ve 100 kg přírodního uranu se nachází 99, 3 kg uranu 238 a 0,7 kg uranu 235, což představuje pouze 0,7% štěpného uranu 235. Operace, při které dochází ke zvýšení podílu uranu 235, se nazývá obohacování uranu. „Abychom mohli dodat jaderné palivo reaktoru, přírodní uran musí být obohacen o uran 235.“ Obohacování je poměrně náročná operace, protože jako všechny izotopy jednoho prvku tak i uran 235 a uran 238 se navzájem hodně podobají a mají téměř stejné
6
chemické vlastnosti. (Viz brožura Atom). Přesto je ale možné je odlišit díky malému rozdílu v hmotnosti. Uran 235 je o něco málo lehčí než uran 238. A proto je v současnosti obohacování založeno na rozdílu v pohyblivosti, způsobené malým rozdílem jejich hmotností. Ze všech procesů obohacování, které byly až dodnes zkoumány, se používají pouze dva v průmyslovém měřítku: plynná difúze uranu 235 a 238 a centrifugální separace.
Továrna Cominak na zpracování rudy v Nigeru
Str. 8
RŮZNÉ METODY OBOHACOVÁNÍ
Plynná difúze Před obohacováním, které se uskuteční prostřednictvím tohoto procesu, bude fluorid uraničitý extrahovaný z nerostu a rafinovaný přeměněn na fluorid uranový (hexafluorid uranu), který má schopnost se od 56° C přeměnit na plyn. Proces difúze plynných sloučenin spočívá v tom, že se plynný hexafluorid uranu nechá projít přes množství „bariér“, které tvoří membrána s miniaturními dírkami. Molekuly hexafluoridu uranu 235 projdou bariérou rychleji, čímž dojde k malému obohacení uranu. Ale vzhledem k velké blízkosti hmotností obou izotopů, zpomalení uranu 238 je velmi slabé ve srovnání s uranem 235. Z tohoto důvodu se ve Francii v továrně na obohacování uranu (továrna Eurodif v Tricastin v údolí Rhony produkuje více než třetinu světové spotřeby uranu) musí tato operace opakovat 1400x, aby se dosáhlo požadovaného efektu v obohacování uranu 235, který se používá ve všech klasických jaderných elektrárnách.
Centrifugové obohacování (Ultracentrifuga) Jiným způsobem obohacení uranu, který je však evropskou skupinou Urenco (Německo, Nizozemí, Velká Británie) méně využíván, je centrifugové obohacování.
7
Tento princip separace využívá centrifugu, druh odstředivky, která se točí velkou rychlostí, přičemž se ke stěnám dostane rychleji hexafluorid uranu 238 než hexafluorid uranu 235, který zůstává spíše uprostřed. Velmi malý rozdíl v hmotnosti mezi oběma molekulami umožní tudíž zvyšovat po malých částech koncentraci uranu 235. I v tomto případě je zapotřebí opakování cyklu, aby bylo obohacení dostačující.
8
Str. 9 DOBA POUŽITÍ PALIVA V JADERNÝCH REAKTORECH JE OMEZENA NA TŘI AŽ ČTYŘI ROKY.
Spotřeba paliva v reaktoru
9
Str. 10
„Pro jednu elektrárnu se připravuje více než 40 000 „tyčí“, spojených do „svazků“ a ty do palivových kazet (palivových článků).“
PŘÍPRAVA PALIVOVÝCH ČLÁNKŮ Po obohacení je hexafluorid uranu přeměněn na oxid uranu, který vypadá jako černý pudr. Poté co je zkomprimován a „upečen“ v troubě, jsou z něj vytvořeny malé centimetrové válečky vypadající jako malé kousky křídy, jimž se říká „pastilky“ (tabletky). Přestože váha každé pastilky nepřesahuje 7g, může uvolnit tolik energie jako tuna uhlí (milion gramů). Těmito válečky jsou naplněny kovové zirkoniové čtyřmetrové trubky, konce těchto „pouzder“ jsem neprodyšně uzavřeny a tím se vytvoří palivové tyče. Pro jednu elektrárnu se připravuje více než 40 000 „tyčí“, spojených do „svazků“ a tyto svazky tvoří palivové kazety. Každá palivová kazeta se skládá z 264 palivových tyčí. K náplni reaktoru o výkonu 900 megawattů (miliony wattů) je zapotřebí 157 palivových kazet, které obsahují celkem 11 milionů „pastilek“ (tabletek).
Spotřeba uranu 235 Palivové články umístěné přesně geometricky tvoří aktivní zónu reaktoru. Každý tam zůstane tři až čtyři roky. Během této doby se štěpením uranu bude vytvářet nezbytné teplo k výrobě páry a poté elektřiny. Uran 235 se štěpí. To znamená, že pod vlivem srážky s neutronem se jádro rozbije na štěpné radioaktivní Atomy, jejichž jádra nejsou stabilní jsou nazývány radioaktivními. Tato jádra se přeměňují na jiná jádra a přitom vysílají záření (viz brožura Radioaktivita)
produkty za současného uvolňování energie. 10
Naproti tomu uran 238, který představuje 97% hmoty obohaceného uranu, se neštěpí během zachycení neutronu. Nicméně některá jádra uranu 238 zachytí jeden neutron a přemění se na plutonium 239, které je štěpné stejně jako uran 235. Proto se říká, že je uran 238 plodivý. Část plutonia 239 může dodávat energii štěpením jader. Malá část se transformuje na jiné izotopy plutonia zachycením neutronů. Str. 11 Obrázek: Příprava palivového článku 1/ palivová tyč: výška 4 m, na obou koncích přivařená zátka, uvnitř válečky oxidu uranu 2/ mřížka, která drží tyče 3/ palivová kazeta – sestava palivových článků
DEGRADACE PALIVA Časem podléhá palivo různým transformacím, které ho činí méně výkonným: postupné spotřebovávání uranu 235 vznik štěpných produktů (absorbujících neutrony, tyto produkty naruší řetězovou reakci) Po určité době tedy musí být palivo vyjmuto z reaktoru i když ještě obsahuje značné množství energetických látek, které se dají rekuperovat (opět použít), kterými jsou především uran a plutonium.Toto použité palivo je rovněž velmi radioaktivní, protože jsou v něm přítomny štěpné produkty. Při záření vysílaném těmito radioaktivními atomy se uvolňuje velké množství tepla, takže použité palivo musí být umístěno na tři roky do chladících bazénů, nacházejících se u reaktorů, aby se snížila jeho aktivita. (viz brožura Radioaktivita). „ Použité palivo je na místě uloženo do chladících bazénů. Zůstane tam tři roky.“
11
Str. 12 ZPRACOVÁNÍM PALIVA SE ROZUMÍ ODDĚLENÍ LÁTEK, KTERÉ SE DAJÍ ZNOVU VYUŽÍT, PLUTONIA A URANU, OD NEREKUPEROVATELNÉHO RADIOAKTIVNÍHO ODPADU.
Zpracování po vyjmutí z reaktoru
12
Str. 13 Některé země si samy zpracovávají jaderný odpad, jiné přenechávají tuto činnost jiným zemím, zvláště pak Francii.
CÍLE ZPRACOVÁNÍ Zpracování se skládá z následujících etap získat látku ještě použitelnou, plutonium a uran, pro další výrobu elektřiny. Jedná se o recyklaci energetických látek obsažených v použitém palivu třídit nepoužitelný radioaktivní odpad. Některé země, jako například Švédsko nebo Spojené státy, odpad nezpracovávají. Použité palivo je považováno za odpad a po vyjmutí z reaktoru je hned uskladněno. Mezi země, které se rozhodly pro postavení továrny na zpracování, patří Francie, Velká Británie, Rusko a Japonsko. Jiné země jako Německo, Švýcarsko a Belgie si nechávají recyklovat odpad v jiných zemích (zvláště pak ve Francii). Extrahování štěpných produktů Po převezení do továrny na zpracování jsou palivové články znovu umístěny do bazénu. Poté jsou rozstříhány na malé kousky, které jsou vloženy do chemického roztoku, který rozpustí palivo, ale kovové části (pouzdra…) zůstanou nedotčeny. Ty pak budou uskladněny jako radioaktivní odpad. Následné chemické zpracování paliva v roztoku umožní separovat plutonium a uran od štěpných produktů. Štěpné produkty budou zataveny do speciálního skla (vitrifikace) a uloženy jako jaderný odpad. Uran a plutonium, které představují 96% celku, jsou odděleny a upraveny zvlášť.
Štěpné produkty se po oddělení zataví do speciálního skla a jsou uloženy jako jaderný odpad.
Str. 14
13
RECYKLACE PALIVOVÝCH LÁTEK Použití plutonia vzešlého ze zpracování je předmětem mnoha studií, zvláště v CEA. Nové palivo složené ze směsi oxidu uranu a oxidu plutonia (nazývané MOX z anglického „Mixed Oxides“) je již využíváno v některých reaktorech (REP) společnosti EDF. Co se týče uranu vzešlého z rekuperace, který už je o něco bohatší než přírodní uran, (přibližně 1% uranu 235 a může být ještě obohacen na více než 3%), může projít stejnou cestou jako normální palivo.
Barevný řez palivem MOX
„Uran získaný z rekuperace bude moci být ještě obohacen na víc než 3% a projít stejnou cestou jako normální palivo.“
Naplňování aktivní zóny reaktoru v elektrárně Daya Bay v Číně.
14
ZPŮSOB USKLADNĚNÍ JADERNÉHO ODPADU JE ZÁVISLÝ NA DOBĚ JEHO RADIOAKTIVITY.
Jaderný odpad
15
Výroba jaderného odpadu ve Francii Každá lidská činnost produkuje odpad. Demografický i průmyslový rozvoj je doprovázen nárůstem objemu odpadu, který se musí zpracovat, upravit, recyklovat nebo uskladnit, když recyklace není možná. Jaderný průmysl není výjimkou. Nicméně jaderný odpad představuje pouze minimální část odpadu vyprodukovaného společností. Pro srovnání, roční množství průmyslového odpadu vyprodukovaného ve Francii činí na obyvatele 2 500kg (z čehož je 100 kg toxického odpadu proti přibližně 1 kg jaderného odpadu. V tomto kilogramu je pouze 10g vysoce aktivního odpadu.) Množství samozřejmě není jediným kriteriem. Toxicita je velmi důležitá. Proto je bádání v oblasti zpracování a uskladnění předmětem četných výzkumů.
TŘI KATEGORIE JADERNÉHO ODPADU Kategorie A odpad s krátkou životností (méně než 30 let), slabé nebo střední aktivity - záření beta a gama - za dalších 300 let bude radioaktivita srovnatelná s přírodní radioaktivitou zdroj: laboratoře, nukleární medicína, průmysl (zemědělskopotravinářský, metalurgický atd.), jaderné elektrárny (kontaminované předměty : rukavice, filtry, atd.)
16
Kategorie B odpad s dlouhou životností (desítky tisíc let) se slabou a střední aktivitou - záření alfa Kategorie C odpad s dlouhou životností, s vysokou aktivitou a uvolňováním tepla po dobu několika set let - záření alfa, beta, gama zdroj: zpracování použitého paliva z atomových elektráren (popel z paliva)
str. 18 „Po uplynutí tří set let 90% odpadu ztrácí svoji radioaktivitu.“ Jaderný odpad vzniká při všech etapách palivového cyklu: při těžbě v dolech, při obohacování uranu, při výrobě palivových článků, při provozu reaktoru i při zpracování odpadu. Tvoří se i při rozebírání jaderných celků. K tomu se může připočíst odpad vyprodukovaný výzkumnými středisky (CEA…), průmyslem a nemocnicemi, které používají radioaktivní prvky.
TŘÍDĚNÍ A UKLÁDÁNÍ RADIOAKTIVNÍHO ODPADU Z hlediska uskladnění je nestejnorodý radioaktivní odpad klasifikován podle dvou následujících kritérií Podle úrovně jeho aktivity, to znamená intenzity záření, která podmiňuje důležitost použité ochrany proti záření Jeho radioaktivním obdobím – poločas rozpadu Poločas rozpadu radioaktivního prvku: čas na jehož konci se polovina atomů radioaktivního prvku rozpadne
umožní definovat dobu, po kterou může prvek potencionálně škodit. Rozlišujeme tedy odpad v závislosti na délce jeho života a podle jeho aktivity.
Odpad s krátkou dobou života a slabou a střední radioaktivitou. Představuje 90% radioaktivního odpadu vyprodukovaného ve Francii. Po uplynutí tří set let ztratil téměř všechnu svoji radioaktivitu. (viz brožura Radioaktivita). Jeho objem je redukován v sudech z olova nebo z betonu, které jsou uskladněny v úložištích na povrchu. Ve Francii jsou tato centra dvě, v Hague (département Manche) a v Soulaines (département Aube). Správa je zajištěna Národní agenturou pro nakládání s radioaktivním odpadem „Andra“. Odpad s dlouhou dobou života a/nebo vysokou aktivitou (10% celkového objemu). K radioaktivnímu úbytku dochází v rozmezí několika tisíc nebo dokonce stovek tisíc let. Je zalit do betonu nebo skla. Ve Francii je jeho budoucnost uzákoněna zákonem přijatým v roce 1991. Jednou z předpokládaných možností je uskladnění hluboko pod zemí. Tato možnost bude detailně zkoumána díky vybudování dvou podzemních laboratoří. Dalším 17
řešením může být transformace odpadu na radioaktivní odpad s kratší dobou života přímo v jaderném reaktoru
Úprava odpadu v betonové matrici.
(tato operace se nazývá transmutace) a rovněž se zkoumají procedury upravování a uskladnění na povrchu nebo těsně pod povrchem (několik desítek metrů pod zemí). Než se tento problém vyřeší, je odpad dočasně uskladněn na povrchu, v Hague a v Marcoule.
VÝZKUM TÝKAJÍCÍ SE ODPADU S DLOUHOU ŽIVOTNOSTÍ Prvořadým cílem výzkumu a vývoje je redukce objemu i aktivity u pevného i tekutého odpadu. Tyto cíle zahrnují: výzkum, vedený v CEA, zabývající se hledáním řešením, které by umožnilo separaci a transmutaci radioaktivních prvků obsažených v odpadu s dlouhou životností studium metod úpravy a dlouhodobého uskladnění na povrchu nebo těsně pod povrchem (CEA) studium možnosti vratného a nevratného uskladnění hluboko pod zemí, a to především díky vytvoření dvou podzemních laboratoří (Andra). Ochrana člověka a životního prostředí je nedílnou a nejdůležitější součástí výzkumných prací vědců a inženýrů v CEA, kteří věnují zvláštní péči vývoji technologických postupů zabývajících se neustálým snižováním rizika spojeného s radioaktivitou.
18
Stíněná linka vitrifikace štěpných produktů
ZDROJ http://www.cea.fr/le_cea/publications/livrets_thematiques
19
