Úložiště jaderného odpadu

Transkript

1 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.

2 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.

3 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. ukázka odpadu ( příklad odpadů: rukavice nářadí oblečení filtry předměty z aktivní zóny JE

4 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

5 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 tun/rok (marathonresources.com). transportní sud - Olkiluoto přeprava vyhořelého paliva v elektrárně zdroj: POSIVA

6 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

7 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

8 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

9 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 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 mil. UDS ukázka plnění sudů s odpadem zdroj: TVO

10 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 m 3, 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

11 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

12 Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady: popis stavby vstup do objektu úložiště dveře do tunelu cesta transportním tunelem do haly se zásobníky tunel pro zavezení odpadů do úložiště cesta dostatečně dimenzována pro průjezd upraveného transportního vozidla přístup do výkopového tunelu používán při konstrukčních pracích na úložišti pozice v tunelu

13 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

14 Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady: současný stav zásobníky LLW a MLW dostačující pro bloky OL1, OL2 zdroj: POSIVA

15 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

16 Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady pohled do zásobníku současné zaplnění 1/2 odpad v barelech je naložen do boxů, které jsou v řadách na sobě ukládány do zásobníků 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

17 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 schéma úložiště zásobníky pro radioaktivní odpad z likvidace jednotlivých bloků (odstavení elektrárny z provozu) zdroj: POSIVA

18 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 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

19 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

20 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

21 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 (UO 3, UO 2, UF 4 ) konvertován na hexafluorid uranu UF 6 případně na kovový uran. UF 6 je jediná plynná sloučenina uranu vhodná pro stále nejpoužívanější obohacovací postupy - difusní a odstředivý. Konverzí vzniklý plynný UF 6 je nejprve stlačením a ochlazením převeden do kapalného stavu, ve kterém je přečerpán do přepravních kontejnerů. V nich postupně chladneapřechází do tuhého stavu, v němž je transportován do obohacovacího závodu.

22 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

23 Výroba peletek - Springfield zdroj:

24 Palivová kazeta peletky oxid uraničitý palivo pro OL3 komponenty palivové kazety pro bloky OL1 a OL2 zdroj: TVO

25 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

26 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

27 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

28 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

29 Hlubinné úložiště Dochází zde ke konečnému (trvalému) uložení vysokoaktivního odpadu. Budované úložiště u elektrárny Olkiluoto Složení čerstvého a použitého jaderného paliva zdroj: TVO

30 Hlubinné úložiště Znázornění uložení paliva do skalního podloží Peletky Palivová tyč a kazeta Vnitřní mřížka Měděný kanystr Betonová bariéra Skalní podloží zdroj: TVO

31 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

32 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, tun fialově.

33 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

34 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

35 Hlubinné úložiště šachty a tunely Napojení konstrukčních tunelů Onkalo na systém chodeb úložiště Objem úložiště při různých množstvích paliva

36 Hlubinné úložiště postup stavby tunelů

37 Vzdálenost úložiště od areálu elektrárny Vstup do tunelu

38 Uzavření kontejnerů před uložením v úložišti Schéma budovy, která bude sloužit ke kompletaci kontejnerů, jejich uzavření a kontrole před spuštěním do úložiště.

39 Varianty kontejnerů Kontejnery na vyhořelé palivo jsou odlišné pro 3 typy elektráren ve Finsku Předpokládaný průběh prací na úložišti

40 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)

41 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 C. zdroj: POSIVA

42 Kalkulace radiace v případě defektu kontejneru

43 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

44 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

45 Produkce elektrické energie z bloků OL1 a OL2 počáteční výkon obou bloků v roce MWe po modernizacích reaktoru a turbíny od r výkon 860 MWe

46 Výměna paliva v elektrárně bazén kompletně napuštěn vodou výkon reaktoru odstraněno pomocí jeřábu obsluha provádí výměnu paliva

47 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