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
