Transcript 212_FAEZP 03

Fyzikální aspekty zátěží
životního prostředí
3
Jaderná energetika
1
Štěpné jaderné reakce
Jaderná reakce, při níž dochází
k rozštěpení atomového jádra
Štěpení uranu

K štěpení uranu 235U dochází při
zachycení pomalého neutronu
jádrem uranu.

Při této jaderné reakci vznikají
dva fragmenty a dva až tři
neutrony.

Kromě neutronů vznikají i fotony
gama záření.
2
Podmínky štěpení uranu

Pro štěpení jádra musí být dodána aktivační energie.

Při štěpení uranu tuto aktivační energii získá jádro
atomu uranu zachycením pomalého neutronu, tj.
neutronu s kinetickou energií nižší než 0,3 eV.

Pro štěpnou reakci platí zákon zachování energie.
Protože se při štěpné reakci sníží celková klidová
energie, musí se vazebná energie uvolnit ve formě
kinetické energie produktů reakce.

Energie reakce (uvolněná kinetická energie) v případě
štěpení uranu dosahuje průměrně hodnoty 200 MeV.
3
Jednotka energie v jaderné fyzice
MeV – megaelektronvolt,
•
1 eV (elektronvolt) – energie, kterou získá
elektron, jehož náboj je roven elementarnímu
elektrický náboji e, urychlením v elektrickém poli
o napětí 1 V,
•
1 eV = 1,6 . 10
-19
J
4
Řetězová rekce

Řetězec navazujících jaderných reakcí vzniká, pokud se
produkty jaderné reakce účastní další jaderné reakce
s jinými jádry, s tzv. „jaderným palivem“. Je-li
jaderného paliva dostatečné (nadkritické) množství,
probíhá reakce samovolně do okamžiku, kdy množství
jaderného paliva klesne pod kritickou hodnotu, dojde k
vyhoření paliva.

Slučování jader – termojaderná syntéza ve
hvězdách včetně Slunce je příkladem slučovací
řetězové reakce.

Štěpení uranu může probíhat jako řetězová reakce,
pokud rychlé neutrony vzniklé při reakci jsou zpomaleny,
tak aby mohly štěpit další dostupná jádra uranu,
hovoříme pak o štěpné řetězové reakci.
5
Moderace neutronů

Podmínkou vzniku štěpné řetězové reakce uranu
je zpomalení - tzv. moderace neutronů (snížení
jejich kinetické energie).

Zpomalení neutronů se dosahuje jejich
průchodem vhodnou látkou, tzv. moderátorem.

Jako moderátor neutronů se používá grafit,
(lehká) voda H2O nebo těžká voda D2O.
6
Štěpení uranu jako
řetězová lavinovitá reakce
7
Řízené štěpení uranu

V případě štěpení uranu vznikají dva až tři rychlé
neutrony. Pokud jsou moderovány, řetězová
reakce lavinovitě narůstá.

Počet uvolněných neutronů je nutné regulovat
pohlcením ve vhodné látce absorbátorů
neutronů.

Neutrony jsou pohlcovány jádry bóru nebo
kadmia, které se používá ve formě tyčí a regulace
se provádí změnou počtu a hloubkou zasunutí
regulačních tyčí do jaderného reaktoru.
8
Jaderné elektrárny
Jaderná elektrárna
 elektrárna, ve které se
jako zdroj tepelné energie
využívá jaderný
reaktor,

Dukovany
teplo vzniklé při štěpení
jader v reaktoru je
využíváno k výrobě páry
pro turbogenerátory.
Temelín
9
Schéma jaderné elektrárny
V jaderné elektrárně se využívá teplo jaderného reaktoru (1) k výrobě páry
ve výměníku, tzv. parogenerátoru (2), ta pohání parní turbínu (4), která
otáčí generátorem (5) elektrické energie. Pára se pak ochlazuje v
kondenzátoru (6) pomocí chladícího okruhu kondenzátoru (7).
1. Jaderný reaktor
2. Parogenerátor
3. Čerpadlo
4. Parní turbína
5. Generátor
6. Kondenzátor
7. Chladící okruh
10
Jaderný reaktor

Jaderný reaktor
musí být chlazen,

prochází jím chladivo
(nejčastěji voda)
primárního okruhu,

získané teplo se ve
výměníku tepla
využije k výrobě páry
pro parní
turbogenerátor,
11
Možné zdroje ohrožení
radioaktivními škodlivinami

Vlastní provoz jaderné elektrárny
představuje ve srovnání s jinými technologiemi
srovnatelné riziko. Nezbytností je oddělení primárního
okruhu, který může obsahovat ve vodě nečistoty s
indukovanou radioaktivitou. Nutnost stálého monitorování
úrovně radioaktivity.

Vyhořelé palivo
i když ho není velké množství představuje významný
problém, protože obsahuje i vysoce aktivní materiály,
navíc i poškozené palivové články, kdy existuje možnost
úniku radioaktivních látek).
12
Možné zdroje ohrožení při provozu
jaderné elektrárny
Příprava a doprava jaderného paliva

Dobývání uranových rud a jejich zpracování
představuje významný zdroj radioaktivního prachu zejména
při povrchovém dobývání a úpravě vytěžené suroviny,
eventuálně při deponování odvalů. Existuje nebezpečí emise
radioaktivního izotopu radonu.

Obohacovaní uranu,
příprava paliva probíhá v uzavřených prostorách a riziko úniku
radioaktivních látek je malé.

Přeprava paliva
nepředstavuje významné riziko (speciální přepravní
kontejnery vydrží i velké nárazy).
13
Možné zdroje ohrožení při provozu
jaderné elektrárny
Emise radioaktivních látek
 Emise radioaktivních látek mohou být při provozu
jaderné elektrárny problémem.

Emise jsou však menší než v případě elektráren
tepelných, které rovněž produkují určité množství
radioaktivního spadu.

Při posuzování emisí radioaktivních látek je třeba vždy
zvážit nakolik tyto hodnoty přesahují běžné
radioaktivní pozadí (radioaktivní látky se vyskytují
běžně v přírodě).
14
Možné zdroje ohrožení při
provozu jaderné elektrárny
Nebezpečí havárie jaderné elektrárny

Při havárii jaderné elektrárny se může uvolnit do okolí
zvýšené množství radioaktivních látek.

Riziko je dáno především konstrukcí a dodržením
pravidel provozu jaderné elektrárny.

Při dodržení uvedených postupů se pak jedná především
o statistický problém, protože každé technické
zařízení podléhá poruchám.
15
Likvidace jaderné elektrárny.

Jaderné elektrárny jsou projektovány na
životnost, cca 30 let.

Nelze je jednoduše rozebrat, protože řada
konstrukčních prvků je radioaktivní.

Existují dvě možnosti, likvidace

elektrárnu rozebrat a s radioaktivními komponentami
naložit stejně jako s vyhořelým palivem

celou elektrárnu zakonzervovat a monitorovat, což
přináší další náklady na monitoring a údržbu.
16
Problém jaderného odpadu

Vyhořelé palivo z jaderné elektrárny tvoří méně než 1 %
objemu celkového jaderného odpadu, avšak obsahuje
přes 90 % veškeré radioaktivity.

Obě české jaderné elektrárny během celé doby své
životnosti vyprodukují celkem cca 3 000 tun vyhořelého
jaderného paliva.

Vyhořelé jaderné palivo označované za odpad, se může
stát cenným zdrojem surovin nebo jaderným palivem pro
nové typy jaderných reaktorů.

V současné době se proto vyhořelé palivo, zatím
bezpečně ukládá na místo, kde přirozenými
radioaktivními přeměnami přejde do bezpečné formy,
tato přeměna však probíhá relativně velmi dlouho.
17
Způsoby uložení jaderného odpadu

Jaderný odpad se dočasně ukládá na 40-50 let do
meziskladu, do vodních bazénů, nebo se využívá tzv.
suché skladování v ocelových popř. v betonových
kontejnerech.

Nízkoaktivní a středněaktivní radioaktivní odpad z JE
Dukovany a JE Temelín jsou předávány k uložení ve zpevněné
formě.

Technologie bitumenace, použitá na úpravu kapalných
radioaktivních odpadů, zaručuje dlouhodobou stabilní ochranu
proti účinkům radiace.

Odpady jsou po přípravě skladovány a před konečnou
úpravou se lisují do sudů o objemu 200 litrů. Výlisky jsou
umístěny do větších sudů (tzv. overpak o objemu 300 až 400
litrů) a takto ukládány do úložiště radioaktivních odpadů.
Výsledná redukce objemu je šestinásobná.
18
Uložení vysokoaktivních odpadů
Vysokoaktivní odpady

představují nejzávažnější problém,

skladují dočasně se ve speciálních kontejnerech
uložených v meziskladech,

definitivně se ukládají do hlubinného úložiště,

ročně se do meziskladu ukládají 4 kontejnery s
vysokoaktivními odpady.
19
Hlubinné úložiště

musí představovat bariéry bránici úniku
radioaktivních látek do okolí,

inženýrské bariéry jsou tvořeny vlastní
konstrukcí úložiště, způsobem ukládání odpadů
do úložiště a dále např. obalem nebo matricí, do
nichž jsou odpady vloženy a ukládány.
20
Umístění úložiště

Při výběru lokality jsou přísně posuzována zákonem
stanovaná kritéria pro umístění těchto zařízení.

Přírodní bariérou při ukládání radioaktivního odpadu jsou
geologické vlastnosti prostředí, ve kterém je úložiště
radioaktivního odpadu situováno.

Úložiště jaderného odpadu nemůže být umístěno v zátopové
nebo krasové oblasti, v oblastech, kde by jeho přítomnost
mohla mít znehodnocující vliv na zásoby podzemních či
minerálních vod, v seizmicky aktivních anebo zátopových
oblastech apod.

Příznivými charakteristikami pro umístění jsou nepropustnost
podloží, dostatečná vzdálenost od vodních toků nebo ploch a
dostatečná vzdálenost od míst trvalého osídlení.
21
Hlubinné úložiště v ČR

V současné době probíhají v ČR práce na projektu
hlubinného úložiště vyhořelého paliva. Práce byly
zahájeny již v roce 1990, úložiště by mělo být
vybudováno v období let 2030-2040.

Na základě vyhodnocení archivních a geologických
informací podle bezpečnostních a legislativních kritérií
bylo počátkem roku 2003 doporučeno 6 lokalit.

Na podzim 2003 na nich proběhla letecká geologickofyzikální měření s cílem získat podrobnější údaje pro
budoucí zúžení území lokalit na rozlohu cca 10 km2.
22
Problémy hlubinných úložišť

celé úložiště musí být monitorováno po celou
dobu provozu, tj. po dobu, než neklesne aktivita
materiálů pod bezpečnou úroveň,

to představuje ekonomickou zátěž,

v současné době je stále levnější těžba nového
uranu, než přepracovávání použitého jaderného
paliva z jaderných elektráren.
23
Srovnaní výhod a nevýhod tepelné a
jaderné elektrárny
Srovnání
Jaderná elektrárna
Tepelná elektrárna
Emise popílku
Není
Pouze uhelné elektrárny
Produkce SO2 a NOx
Není
Ano
Provozní únik radioaktivních Ano (malá množství)
látek
Ano (malá množství)
Poměr vyrobené energie na
jednotku hmotnosti paliva
J/kg
2.1 x 1012
3.3 x 107
Náklady spojené z dopravou
paliva
Malé
Velké
Vyčerpatelnost zdrojů paliva
Ano (později než u fosilních
paliv)
Ano
Množství „popela“ resp.
vyhořelého paliva
Malé
Velké
Náklady spojené s likvidací
vyhořelého paliva
Velké (dané hlavně
nebezpečností a nutností
dlouhodobého uskladnění)
Velké (dané hlavně velkým
objemem)
Riziko vzniku velké havárie
Malé
Malé
Následky případné velké
havárie
Velké
Malé
24
Jiné možnosti likvidace jaderného odpadu

Další možností likvidace vyhořelého
palivem je jeho přepracování a
znovupoužití v reaktorech, což je zatím
ekonomicky nevýhodné.

Skutečnou likvidaci vyhořelého palivem lze
provést pomocí urychlovače, který vyvolá
cílené jaderné reakce, které vytvoří z
radionuklidů nuklidy stabilní.
25
Chemické přepracovávání
vyhořelého paliva
Vyhořelé palivové články z dnešních jaderných
elektráren

obsahují přes 95% nevyhořelého uranu (z
toho přibližně 1 % 235U) a dále pak další
štěpitelné prvky jako například plutonium,

pouze 3% vyhořelého paliva připadá na štěpné
fragmenty a transurany - tedy na prvky, které
představují skutečný odpad.
26
Jak přepracovat
vyhořelé palivo?

Již od počátku jaderného výzkumu se vědci
zabývali myšlenkou na chemické přepracování
vyhořelého paliva.

Zhruba ve čtyřicátých letech minulého století se
pak tato metodika začala ve vyspělých zemích i
realizovat.

Z palivových kazet se odstraní ochranný
zirkoniový obal a palivové články se rozpustí v
kyselině dusičné a z takto vzniklého roztoku se
chemicky oddělují jednotlivé prvky.
27
Složení vyhořelého paliva

Plutonium - lze použít jako palivo.

Uran - se uskladní nebo používá pro výrobu nového paliva.

Zbytky kovového obalu palivových článků se zpracují
jako středněaktivní odpad.

Štěpné produkty se oddělují a vitrifikují (zatavují do skla).
Z jedné tuny vyhořelého paliva tak vznikne pouze 115 litrů
vysokoaktivního jaderného odpadu převedeného do
formy skla.

Takovéto přepracovávací závody existují například ve
francouzském Marcoule, či anglickém Sellafieldu. Jejich
nevýhodou je poměrně malá kapacita a ne úplně bezpečný
28
provoz.
Jaderný odpad
Hlavní část radioaktivity připadá na

cesium 137Cs (v jaderném odpadu z 1000 MW reaktoru je
to zhruba 32 kg),

stroncium 90Sr (zhruba 13 kg),

oba izotopy mají poločas rozpadu okolo třiceti let. V
důsledku radioaktivního rozpadu vyhořelé palivo postupně
ztrácí radioaktivitu a četné radioizotopy přecházejí na
neaktivní prvky.
29
Další možnosti přepracování

Nově vyvíjené metody (tzv. technologie ADTT)
umožňují uvolnit z paliva další energii i během jeho
přepracovávání ,

jejich realizace je bezpečnější, než u chemického
přepracování.

Proto se v současné době jeví výhodné použité palivo
prozatím skladovat v meziskladech a počkat na to, jak se
vyvine technologie ADTT.
30
Technologie ADTT
(urychlovačem urychlená transmutační
technologie)

Princip ADTT byl navržen již v padesátých letech
20. století a dnes se jím zabývají především
vědci v americké laboratoři Los Alamos,
evropském CERNu a ruském Dubně.

Technologie ADTT představuje novou moderní
alternativu chemickému přepracovávání paliva.
31
Vlastnosti a princip ADTT

Je vyvíjen nový typ jaderného reaktoru kombinovaného s
výkonným urychlovačem.

Tento reaktor by umožnil využívat i štěpná jaderná
paliva, která nejsou samostatně schopna udržet
řetězovou reakci - např. vyhořelé palivo z dnešních
jaderných elektráren, přírodní thorium apod. (z 12 gramů
thoria lze uvolnit tolik energie jako spálením 30 tun uhlí.)

Reaktor s uvedenou aktivní zónou je podkritický,
nedostatek neutronů musí zajistit vedlejší zdroj, kterým
je výkonný urychlovač protonů.
32
Schéma ADTT
33
ADTT – protonový urychlovač

Každý proton dokáže vyprodukovat pro další
reakci zhruba 15 neutronů, které přes základní
moderátor (vrstvu těžké vody) procházejí do
vlastní aktivní zóny reaktoru.

Zde by ve vhodném prostředí byl rozpuštěn
štěpný materiál a též odpadní isotopy, které
chceme transmutovat. Ve vnější části reaktoru
by docházelo k transmutaci thoria 232. Zásoby
thoria v zemské kůře jsou asi třikrát větší než
uranu.
34
ADTT – likvidace paliva – výroba energie

Vznikající uran 233 by se vedl do střední části, kdy by
absorpcí neutronů docházelo k jeho štěpení a uvolnění
vazebné jaderné energie.

Protože reaktor pracuje trvale v podkritickém režimu, je
provozně bezpečný, nemůže dojít k nekontrolované
řetězové štěpné reakci.

Rychlost reakce je určena tokem protonů z urychlovače a
při jeho vypnutí se reakce zastaví.

Jaderné reakce probíhající v ADTT-reaktoru, by
fungovaly jednak jako zdroj jaderné energie, jednak
jako účinná „spalovna“ radioaktivních odpadů, kde
by se dlouhožijící radionuklidy postupně transmutovaly
na krátkožijící nebo stabilní.
35
ADTT – kdyby se povedl

Tento reaktor by byl schopen přeměnit 99 %
svých zplodin, a tak by byl k dispozici téměř
neomezený a bezodpadový zdroj energie, protože
zásoby uranu by se staly (alespoň pro nejbližší
generace) prakticky nevyčerpatelné.
36