Jaderné reaktory blízké i vzdálené budoucnosti Vyhořelé jaderné palivo současné trendy a možnosti Tomáš Bílý Katedra jaderných reaktorů FJFI ČVUT v Praze
Plán výletu: Současný stav jaderné energetiky Vyhořelé jaderné palivo Surovina nebo odpad? Nakládání s vyhořelým jaderným palivem současnost, nové trendy a možnosti Další rozvoj jaderné energetiky Reaktory blízké a vzdálené budoucnosti Nová uplatnění jaderné energetiky Tak co tu všechno máme? Úvodní kurz - 12.9. 2011 2
Jaderná energetika současnost 1/3 432 reaktorů v provozu (v 29 zemích) : 14% světové elektřiny (2011),cca 6,5% energie 65 reaktorů ve výstavbě ČR -32.5% el. en. (6 reaktorů, 3686 MWe) 65 nových zemí vážně připravuje využívání jádra Trendy: Prodlužování životnosti Zvyšování výkonu a účinnosti stávajících reaktorů Růst využitelnosti reaktorů Vzrůst výroby za posledních 5 let je ekvivalentní postavení 40 nových velkých jaderných elektráren. 2 % z toho pocházejí od nových reaktorů, zbytek je dosažen zvyšováním účinnosti a výkonu stávajících. (2008) Úvodní kurz - 12.9. 2011 3
Jaderná energetika současnost 2/3 Výroba elektřiny v EU Výroba elektřiny ve světě Ropa 15% Voda 11% Ostatní obnovit elné zdroje 3% Jádro 29% Ropa 10% Voda 19% Jádro 16% Plyn 21% Uhlí 22% Plyn 15% Uhlí 39% Úvodní kurz - 12.9. 2011 4
Jaderná energetika současnost 3/3 Reaktory Počet GWe Tlakovodní lehkovodní 264 250,5 Varné 94 86,4 Tlakovodní těžkovodní 43 23,6 Plynem chlazené 18 10,8 Lehkovodní moderované grafitem 12 12,3 Rychlé 4 1 Jiné 4 0,05 - celková provozní zkušenost: > 14 000 reaktorroků Úvodní kurz - 12.9. 2011 5
Vyhořelé jaderné palivo Ježíšmarjá, kdo se v tom má vyznat? Odpad nebo surovina? Roční produkce jaderného odpadu ve Francii (75% energie): Vysoce aktivní (1000 MBq/g) : 100 m 3 Středně aktivní (1 MBq/g) : 10000 m 3 Úvodní kurz - 12.9. 2011 6
VJP: otázky, možnosti a perspektivy Odpovědnost vůči budoucím generacím Dokonalejší technologie v budoucnosti Spolehlivé řešení v současnosti, vize pro budoucnost dočasné uložení trvalé uložení zpracování a recyklace Úvodní kurz - 12.9. 2011 7
Co s vyhořelým jaderným palivem? (Současnost) dochlazení : bazén skladování u reaktoru - 5-7 let odvod tepla Mezisklady (mokré, suché) Zpracování a uložení - hlubinné úložiště Úvodní kurz - 12.9. 2011 8
Hlubinné úložiště v ČR www.surao.cz: 1200 stran technickoekonomických informací o stávající představě řešení hlubinného úložiště Cíl prací Výběr dvou vhodných lokalit pro hlubinné úložiště Termín dokončení prací 2015 Výběr finální lokality 2025 Výstavba podzemní laboratoře v lokalitě Zahájení provozu hlubinného úložiště 2030 2065 Úvodní kurz - 12.9. 2011 9
Koncepce hlubinného uložení Cíl: Zabezpečit, aby radionuklidy obsažené ve vyhořelém palivu nepronikly k člověku a do biosféry minimálně sto tisíc let, tedy po dobu potřebnou ke snížení RA vyhořelého paliva na úroveň přírodního pozadí Řešení: projektována jako systém vzájemně svázaných přírodních a technických bariér geologická formace nejdůležitější a nejtrvalejší tufy, granity (žuly), solná ložiska, jílovité sedimenty a ruly technické bariéry - 3 slupky borosilikátové sklo nebo keramické materiály - znehybnění radionuklidů kovové obaly - kontejnery na vysoce RA odpady, vyrobené z oceli, Cu nebo Ti jílovité materiály, jako například betonit, jimiž budou kontejnery v úložišti obklopeny Přírodní analogie Oklo, Gabon (před 2 mld. let přírodní reaktor) Úvodní kurz - 12.9. 2011 10
Zvažované exotické metody ukládání RAO ukládání do věčně zmrzlé půdy hlubinné vrty (až 10 km) subdunkční zóny (do zanořujících se zemských ker (vrt 5-8 km, pak až 50 km ) ukládání na mořském dně extrateresriální ukládání Úvodní kurz - 12.9. 2011 11
Politicko-ekonomické aspekty VJP Současnost odpovědnost za ukládání : stát - SÚRAO Plátce původce odpadu - jaderný účet (např. z JE 50 Kč / MWh) národní úložiště 5 % z ceny elektřiny (nakládání s odpadem) Nové trendy GNEP (Global Nuclear Energy Partnership) dodavatelé (zpětný odběr paliva) a uživatelé paliva 16 zemí GNPI (Global Nuclear Power Infrastructure) zvažována mezinárodní úložiště podpora IAEA, EU ERDO (European Repository Development Organisation) Pangea projekt - Austrálie Úvodní kurz - 12.9. 2011 12
Co s vyhořelým jaderným palivem? (Budoucnost) Zpracování a recyklace spálení štěpných nuklidů energeticky cenné, radiotoxické, produkující teplo snížení množství odpadu a jeho dlouhodobé toxicity stabilizace štěpných produktů Úvodní kurz - 12.9. 2011 13
Recyklace Úspora zdrojů Minimalizace odpadu Spálení plutonia Co přináší recyklace: První krok Spalování Pu v lehkovodních reaktorech (MOX) Přepracování vyhořelého paliva na MOX (U, Pu): Fr, GB, Jap, Rus Není trvale udržitelné řešení Dlouhodobá perspektiva Recyklace minoritních aktinidů (Np, Am, Cu) Množivé reaktory Úvodní kurz - 12.9. 2011 14
Recyklace U a Pu v lehkovodních reaktorech Reaktory využívající MOX (Fr) Francie: separace Pu od r. 1958, od 90. let výrazně MOX palivo, nyní cca 20 reaktorů využívajících MOX (až do cca 30 % AZ) Úvodní kurz - 12.9. 2011 15
Co přináší recyklace: Dlouhodobá radiotoxicita vyhořelého paliva Úvodní kurz - 12.9. 2011 16
Co přináší recyklace: Úvodní kurz - 12.9. 2011 17
Shrnutí: o co jde? Otevřený palivový cyklus Tradiční uzavřený palivový cyklus Pokročilý uzavřený palivový cyklus Palivový cyklus s recyklací Úvodní kurz - 12.9. 2011 18
Vývoj jaderných reaktorů Fermi, 1942 EPR Gen. IV, 2030 Odkud přicházíme? Co jsme? Kam jdeme? Úvodní kurz - 12.9. 2011 19
Vývoj jaderných reaktorů 50. léta počátek využívání jaderné energie 60. -70. léta první komerční reaktory 80. a 90. léta - zvyšování efektivity a bezpečnosti Úvodní kurz - 12.9. 2011 20
Současné reaktory (II. generace) Palivo: převážně mírně obohacený uran (obsah U-235 do 5%) Moderátor: voda, grafit Chlazení: Voda (příp. CO 2 ) Teplota chladiva cca. 300 C (PWR) Tlak v I.O. cca 16 MPa Výkon 1000 1500 MWe Účinnost cca. 33 % Úvodní kurz - 12.9. 2011 21
Blízká budoucnost: reaktory III. generace Evoluční vývoj - efektivní, bezpečné (kontejnment, pasivní bezpečnostní prvky), dlouhodobá životnost (Olkiluoto a Flamanville). Pokročilé tlakovodní reaktory, 600 1 600 MWe: AP 600, AP 1000, APR1400, APWR+, EPR, MIR 1200 Pokročilé varné reaktory, 1 250 1 550 MWe: ABWR II, ESBWR, HC-BWR, SWR-1000 AP-1000 Už běžím! Až 110 nových reaktorů do 2020! (?) EPR Úvodní kurz - 12.9. 2011 22
Reaktory IV. generace Řeší směřování jaderné energetiky v dlouhodobém horizontu, obsahuje celý palivový cyklus, zabývá se trvale udržitelným rozvojem a možným využitím jaderných reaktorů nejen pro výrobu elektrické energie. Rozsáhlá mezinárodní spolupráce Sdílení znalostí Výzkum a vývoj reaktorových technologií IV. generace Úvodní kurz - 12.9. 2011 23
Reaktory IV. generace Hlavní úkoly: Využít veškerý potenciál jaderného paliva ( 238 U, 232 Th) - rychlé reaktory Snížit množství jaderného odpadu na minimum Zvýšit bezpečnost a spolehlivost na maximum Práce při velmi vysokých teplotách ( 1000 o C) možnost efektivní produkce vodíku a využití pro průmyslové účely Životnost minimálně 60 let Snížení nebezpečí šíření jaderných materiálů Ekonomika jasně cenově výhodné Umožnění efektivního využití veškerého paliva kombinací množivých rychlých reaktorů a velmi efektivních klasických reaktorů Úvodní kurz - 12.9. 2011 24
Reaktory IV. generace Studie šesti různých nových typů reaktorů, čtyři jsou rychlé a jen dva jsou klasické GFR - Rychlý reaktor chlazený plynem LFR - Rychlý reaktor chlazený olovem MSR - Reaktor chlazený roztavenou solí SFR - Rychlý reaktor chlazený sodíkem SCWR - Reaktor chlazený vodou s nadkritickým cyklem VHTR - Reaktor s velmi vysokými teplotami Úvodní kurz - 12.9. 2011 25
Proč rychlé reaktory? Přírodní zastoupení uranu 99,3 % U-238 0,7 % U-235 Jů, to je energie! Vliv zavedení uzavřených palivových cyklů s přepracováním na vývoj světové spotřeby paliva (vlevo) a vývoj světové kumulované spotřeby uranu (vpravo) Úvodní kurz - 12.9. 2011 26
Technologie s potřebou procesního tepla aneb nejde jen o výrobu vodíku Technologie PBMR, MHR-GT 850 ºC STAR-H2 780 ºC Jaderné teplo VHTR (převážně otázka materiálů) 1000-1500 ºC Úvodní kurz - 12.9. 2011 27
Charakteristiky chladivo Na cca. atmosférický tlak Spotřeba aktinidů z LWR SFR sodíkem chlazený rychlý reaktor, 150-1500 MWe Úvodní kurz - 12.9. 2011 28
Charakteristiky palivo: tekuté Li, Be, Th a U fluoridy Nízký tlak (<0.5 MPa) & vysoká T (>700 C) Nízký zdrojový člen díky on-line přepracování Minimalizace odpadu a efektivní využití suroviny MSR Reaktor chlazený roztavenými solemi 1000 MWe Úvodní kurz - 12.9. 2011 29
Charakteristiky Chladivo He >1000 C výstupní teplota Grafitové bloky jako GT-MHR vysoká účinnost Výroba vodíku Výroba procesního tepla Vysoká úroveň pasivní bezpečnosti VHTR vysokoteplotní reaktor (grafitem moderovaný, heliem chlazený) 600 MWe Úvodní kurz - 12.9. 2011 30
Jaderné reaktory a energetika věda ovlivňovaná politikou další rozvoj závisí i na otevřeném přístupu k veřejnosti a podpoře veřejného mínění Úvodní kurz - 12.9. 2011 31
Reaktory a obnova vozového parku... Počet provozovaných reaktorů podle stáří... aneb kdy to bude potřeba...... a kdo to bude dělat? 25 doba výstavby JE cca 10 let životnost JE: 25 40 let -> 40 60 let Roky Úvodní kurz - 12.9. 2011 32
Děkuji za Vaši pozornost! Dotazy? Honem, na co se mám zeptat?