Životní prostředí a radioaktivní odpady Pavel Tichý, Lenka Heraltová, Evžen Losa Katedra jaderných reaktorů FJFI ČVUT v Praze

Atom Nejmenší jednotka chemického prvku Skládá se z jádra a elektronového obalu Jádro – neutron, proton Atomový obal – elektron V elektricky neutrálním atomu je počet elektronů roven počtu protonů

Radioaktivní rozpad je samovolná přeměna nestabilních jader Radioaktivita Radioaktivita je schopnost atomu (přesněji atomového jádra) přeměnit se na jiný atom a emitovat radioaktivní záření Radioaktivní rozpad je samovolná přeměna nestabilních jader Jednotka – Becquerel (dříve Curie) Konec 19. století byl bohatý na významné objevy ve fyzice a chemii, které poskytly základy na vybudování moderních představ o složení atomu. Mezi nejvýznamnější objevy patří objevení elektronu a objevení radioaktivity. Atomová jádra některých nuklidů podléhají samovolné přeměně převázané vysíláním radioaktivního záření. Tento jev se nazývá radioaktivita: Radius – lat. paprsek, Activus – lat. činný. Vysílané záření se nazývá jaderné (radioaktivní) záření. Radioaktivita neboli radioaktivní rozpad je samovolná přeměna jader nestabilních nuklidů na jiná jádra, při níž vzniká ionizující záření. 1 Becquerel je jeden rozpad za sekundu, tj. aktivita 100 Bq znamená 100 rozpadů za sekundu 1 Cu = 3,7e10 Bq 1 Bq je málo 1 Cu je hodně Aktivita se většinou udává na 1 kg nebo 1 litr látky a limitní hodnoty se pohybují v řádu jednotek až stovek Bq (v závislosti na druhu záření a materiálu)

Druhy radioaktivního záření V přírodě se nachází asi 50 radionuklidů Jejich radioaktivitu nazýváme přirozenou radioaktivitou U přirozených radionuklidů byly zjištěny tři druhy neviditelného záření: Záření alfa Záření beta Záření gama Částice beta záření v mlžné komoře Částice alfa záření v mlžné komoře

Proud jader atomů helia Záření alfa Proud jader atomů helia Alfa částice mají velkou energii, ale velmi krátký dolet Může být pohlceno listem papíru nebo k zeslabení stačí několik centimetrů vzduchu Má silné ionizační účinky V případě vnitřního ozáření je nejvíce problematické, protože veškerá energie záření je předána živé tkáni Alfa záření je proudem rychle letících atomových jader helia, které se pohybují rychlostí 20 000 km/s (tj. cca 7 % rychlosti svetla). Proniká několika centimetrovou vrstvou vzduchu i velmi tenkými kovovými fóliemi. Je nejméně pronikavé. Pokud mu postavíme do cesty list papíru, tak v něm bude pohlceno. Vzhledem ke hmotnosti alfa částice má silné ionizační účinky. Pokud pronikne alfa záření do živé tkáně, může způsobit díky silným ionizačním účinkům vážné problémy. Práce s otevřeným alfa zářičem – např. uranový prášek – je nutné používat ochranné pomůcky jako je respirátor, aby se zamezilo vdechnutí nebo pozření zářiče Příklad prvků, které se rozpadají alfa rozpadem – 235U, 226Ra, 15Gd, 232Th

Proud elektronů letících téměř rychlostí světla Záření beta Proud elektronů letících téměř rychlostí světla 100krát pronikavější než záření alfa Slabší ionizační účinky než záření alfa Vyzařovaný elektron vzniká v jádru rozpadem neutronu Může být pohlceno hliníkovou fólií Beta záření je proud elektronů, které letí téměř rychlostí světla (80 % rychlosti světla). Je 100krát pronikavější než alfa záření, má ale slabší ionizační účinky než záření alfa. Emitovaný elektron vzniká v atomovém jádru rozpadem neutronu. Na zastavení beta záření je potřebná alespoň hliníková fólie, ve které je pohlceno. Můžeš zmínit i beta+ přeměnu, ale možná jen na dotaz Příklad prvků, které se rozpadají b- přeměnou – 90Br, 90Kr, 137Cs

Proud fotonů, které se pohybují rychlostí světla Záření gama Proud fotonů, které se pohybují rychlostí světla Nejpronikavější jaderné záření Nejslabší ionizační účinky Lze jej zeslabit vrstvou olova nebo železobetonu Obecně se pro stínění používají materiály s vysokou hustotou Záření gama je proudem fotonů (částic bez náboje), které se pohybují rychlostí světla. Má elektromagnetickou podstatu, podobně jako viditelné světlo, ale s kratší vlnovou délkou. Je nejpronikavějším jaderným zářením. Obvykle doprovází záření beta, případně alfa (vyzáření gama aby se jádro dostalo zpět do základního stavu) Nemá elektrický náboj a v magnetickém poli se neodchyluje. Lze jej oslabit silnou vrstvou olova nebo železobetonu. Pronikavost a biologické účinky rostou s rostoucí energií gama záření

Radioaktivní odpady mají určité specifické vlastnosti Z každé lidské činnosti jsou produkovány odpady a platí to také pro jaderný průmysl a průmysl využívající ionizující záření Radioaktivním odpadem rozumíme materiál, který má radioaktivní vlastnosti a pro který se již nepředpokládá další využití Radioaktivní odpady mají určité specifické vlastnosti Toxicita, riziko pro životní prostředí, produkují teplo Riziko radioaktivních odpadů v čase klesá Dělení do dvou skupin Odpady z produkce jaderné energie Institucionální odpady – zdravotnictví, průmysl, zemědělství, výzkum Jednu skupinu radioaktivních odpadů tvoří odpady vznikající v jaderné energetice. Jedná se o nejrůznější kapaliny, kaly (pevné nebo roztoky), pomůcky a materiály, které přišly při provozu jaderné elektrárny do kontaktu s radionuklidy a v budoucnu také o vyhořelé jaderné palivo. Druhou skupinu tvoří takzvané institucionální odpady, které vznikají ve zdravotnictví, průmyslu, zemědělství či výzkumu. Mohou to být např. staré měřicí přístroje a radioaktivní zářiče, znečistěné pracovní oděvy, látky, papír, injekční stříkačky atd. V České republice je evidováno několik set původců institucionálních radioaktivních odpadů. Radioaktivní odpady se obvykle dělí podle aktivity (a z ní vyplývající míry nebezpečnosti pro okolí) na přechodné, nízko- a středněaktivní a vysokoaktivní odpady. Zneškodnění nízko- a středněaktivních a vysokoaktivních odpadů spočívá v zabezpečení jejich úplné izolace od životního prostředí, a to po celou dobu, po kterou mohou pro člověka a jeho životní prostředí představovat riziko. Této izolace radioaktivních odpadů je dosaženo v úložištích, v nichž soustava vzájemně se doplňujících a na sobě nezávislých bariér brání uvolnění nebezpečných látek do okolí. Radioaktivní odpady je třeba udržet pod kontrolou tak dlouho, dokud jejich radioaktivita neklesne v důsledku samovolného rozpadu na úroveň vylučující ohrožení jakékoliv složky biosféry.

Původ radiaktivních odpadů JADERNÝ PALIVOVÝ CYKLUS - 90% celkového množství RAO - činnosti související s používáním radioaktivního materiálu pro výrobu elektrické energie Těžba a zpracování uranových rud Výroba jaderného paliva Provoz jaderných reaktorů Zpracování vyhořelého jaderného paliva Vyřazování jaderných zařízení INSTITUCIONÁLNÍ ODPADY - vznikají v ostatních odvětvích Zdravotnictví Výzkum Výrobní podniky Likvidace odpadů je založena na jejich izolaci od životního prostředí po dobu, kdy představují riziko. Speciální sklady a úložiště s několikanásobným systémem bariér proti úniku radioaktivních látek.

Dělení radioaktivních odpadů podle aktivity NÍZKOAKTIVNÍ - např. zbytky málo kontaminovaných materiálů STŘEDNĚ AKTIVNÍ - Více kontaminované materiály – ukládají se do povrchového nebo hlubinného úložiště VYSOCE AKTIVNÍ - např. vyhořelé jaderné palivo, odpad po přepracování vyhořelého jaderného paliva

Jaderný palivový cyklus

Zpracování nízko a středně aktivních odpadů Zpracování je zaměřeno na redukci objemu odpadů Pevné - lisování Kapalné - zahušťování Následně je odpad vložen do sudu a zafixován cementem nebo asfaltem, ten je pak vložen do většího sudu a volný objem je opět vyplněn betonem Sudy jsou chráněny antikorozním nátěrem a takto mohou být uloženy v úložišti Obalové materiály jsou schvalovány SÚJB Pro odpady platí limity stanovené SÚJB Nízko- a středněaktivní odpady není možné umístit do úložiště v takovém stavu, v jakém vznikly. Je třeba je vhodným způsobem zpracovat, upravit a vložit do obalu splňujícího požadované vlastnosti. Tak např. kapalné odpady jsou zahušťovány a poté zpevněny vhodným ztužidlem, pevné odpady jsou slisovány. Sud naplněný odpadem a zafixovaný cementem nebo asfaltem je vložen do většího sudu a meziprostor je vyplněn betonem. Sud je uzavřen a natřen antikorozním nátěrem. Každý sud s odpadem musí splnit stanovené podmínky přijatelnosti pro ukládání popř. skladování v úložišti. Tyto podmínky schvaluje SÚJB a patří sem např. limit aktivity pro daný radionuklid, hmotnost sudu, dávkový příkon na povrchu sudu apod. SÚRAO odpady nezpracovává, za přísných kontrolních podmínek přejímá sudy s odpady k ukládání nebo skladování od firem, které jsou držiteli povolení ke zpracování odpadů. V roce 2007 byla část úložných komor na úložišti Richard uzavřena unikátním systémem tzv. hydraulické klece. Pojednává o tom následující krátké video. Zpracování vysokoaktivních odpadů a vyhořelého jaderného paliva je proces nepoměrně složitější. Tento typ odpadu bude ukládán v hlubinných úložištích v tzv. úložných kontejnerech. Než k tomu ale dojde, je vyhořelé jaderné palivo nejprve několik let skladováno v bazénu poblíž reaktoru a následně po další desítky let v tzv. skladovacích kontejnerech v meziskladech. Vysokoaktivní odpad, jehož je jen nepatrné množství, je do doby zahájení provozu hlubinného úložiště skladován v ÚRAO Richard.

Institucionální odpady – rozdělení podle druhu

Nakládání s radioaktivními odpady PRÁVNÍ DOKUMENTY PRO ČR Atomový zákon Předpisy Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB), do nichž zasahuje Správa úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO)

Nakládání s radioaktivními odpady - zpracování PLYNNÉ ODPADY Nízká aktivita → řízené vypouštění do atmosféry Někdy potřeba krátkodobě zadržet a počkat až se rozpadnou nejaktivnější radioizotopy Některé (radioaktivní izotop jódu) vypouštěny přes zachytávající filtry

Nakládání s radioaktivními odpady - zpracování KAPALNÉ ODPADY Nejrizikovější skupenství Vznikají ve všech zařízeních využívající zdroje ionizujícího záření Kapalné odpady kontaminované krátkodobými radionuklidy skladovány dokud aktivita klesne pod uvolňovací limity Některé je nutné nejprve převést na pevný odpad než je možné je uložit (zvýší se dlouhodobá stabilita odpadu)

Nakládání s radioaktivními odpady - zpracování PEVNÉ ODPADY Potřeba třídit (různá kontaminace a možnosti zpracování) Důležité je zmenšení objemu (spalování, lisování…) Ukládání do vhodných obalů, dvousetlitrových ocelových sudů (takzvané zapouzdřování), v kterých jsou zality betonem Sudy uloženy do úložiště

Ozářené palivo V reaktoru se využije pouze část 235U a zbytek se vyveze bez užitku (cca 1 %) Ve vyhořelém palivu značné množství štěpného plutonia, které vzniklo během provozu záchytem neutronu na 238U (cca 0,7 %) Štěpné produkty a vzniklé transurany jsou radioaktivní, je nutné biologické stínění Ozářené palivo produkuje teplo

Bazén skladování vyhořelého paliva Palivo zůstává v bazénu vyhořelého paliva (sousedí s reaktorovou šachtou) po dobu min. 5 let, během této doby se sníží aktivita paliva Po zchlazení se palivové soubory přemístí do transportního kontejneru a odvezou se z reaktorového sálu do skladu vyhořelého paliva Všechny manipulace se dělají pod vodou, po naplnění se kontejner vakuově vysušuje

Sklady jaderného paliva Sklady slouží k dočasnému uložení paliva Zde mohou palivové soubory zůstat až 60 let Podle typu mezisklady dělíme na: Suché – skladování paliva v kontejnerech Mokré – skladování ve speciálních bazénech

Ukládání radioaktivních odpadů Důvod: zabránění působení na životní prostředí Bariéry: geologické (stálost stovky až tisíce let) inženýrské (v počátečním období při nejvyšších aktivitách) Typy úložišť: Přípovrchová úložiště ve formě příkopů, jímek nebo mělkých vrtů -hloubky do několika desítek metrů Podzemní úložiště ve středních hloubkách - desítky až stovky metrů Úložiště hlubinná - hluboké, stabilní geologické formace - stovky a více metrů

Přípovrchová úložiště v ČR Ukládání nízko a středně aktivních odpadů, které nejsou kontaminovány dlouhodobými radionuklidy Celkem 4 lokality: Elektrárna Dukovany – železobetonové jímky, kapacita 55000 m3, životnost 300 – 500 let Richard – ve vápencovém dole u Litoměřic, pro institucionální odpady, zaplněno 5200 m3 z 8000 m3 Bratrství – v bývalém uranovém dole v Jáchymově, pro institucionální odpady, při jejichž rozpadu se uvolňuje plynný radon, zaplněno 250 m3 z 1000 m3 Hostim – bývalý vápencový lom poblíž obce Srbsko, pro nízkoaktivní odpad, 330 m3 zaplněno a již uzavřeno

Přípovrchová úložiště v ČR

Ukládání sudu pomocí portálového jeřábu do úložiště v Dukovanech

Úložiště Richard

Úložiště Bratrství

Úložiště Hostim – schéma chodeb

Úložiště Hostim – uzavřená přístupová chodba

Určena pro dlouhodobé ukládání Hlubinná úložiště Hlubinné úložiště jaderného odpadu je uměle vyhloubený nebo pečlivě upravený podzemní prostor, který má sloužit pro ukládání vysoko aktivního odpadu a odpadu s vysokým podílem dlouhodobých radionuklidů Určena pro dlouhodobé ukládání - časový úsek srovnatelný s geologickými časovými obdobími - více než 10 tisíc let (spíše 40 – 100 tisíc let) Měl by být znemožněn kontakt dalších generací s uloženým odpadem, avšak řada států uvažuje o ponechání přístupu za účelem jeho možného budoucího využití

Situované do vhodné geologické formy: Hlubinná úložiště Umístěná do hlubokých stabilních geologických vrstev v oblasti, která není ohrožena vulkanickou činností, zemětřesením, zaplavením mořem nebo zaledněním Situované do vhodné geologické formy: - granity - sedimenty - sůl Úkol geologů při hledání vhodného umístění hlubinného úložiště je zjistit zda: - jsou rozměry horniny dostatečně velké - má dobré hydrogeologické poměry

Hlubinné úložiště Konrad (Německo)

Budování hlubinného úložiště v Yucca Mountain, Nevada, USA (výstavba zrušena)

Hlubinná úložiště V ČR v současné době není, ale výstavba je plánována – v provozu by mělo být v roce 2065 Za dobu života českých jaderných elektráren Dukovany a Temelín (předp. 40 let) bude vyprodukováno cca 3700 tun vyhořelého paliva, navíc 2700 m3 radioaktivních odpadů vznikne při vyřazování elektráren z provozu Prozatím se vyhořelé jaderné palivo skladuje v meziskladech v JE Dukovany (od roku 1995) a v JE Temelín (od roku 2010) Vystavěné hlubinné úložiště má být 500 až 1000 m hluboké a umístěné v hydrogeologicky stabilní a kompaktní hornině (např. žule) Cena odhadnuta na 40 miliard Kč

Hlubinné úložiště bude tvořeno 3 částmi: Podzemní prostory pro ukládání a manipulaci s kontejnery s vyhořelým palivem a vysokoaktivními odpady Přístupové šachty a tunely Povrchový areál - Podzemní prostory propojeny s povrchovým areálem šachtami a tunelem - Povrchový areál zajišťuje technické zázemí (např. elektřinu a větrání)

Vizualizace budoucího hlubinného úložiště Schéma plánovaného úložiště ve Švédsku u elektrárny Forsmark (http://www.nei.org/News-Media/News/News-Archives/Other-Countries-Provide-Lessons-for-US-in-Managing)

Hlubinná úložiště – možné lokality výstavby Cíl prací Termín dokončení prací: Výběr dvou vhodných lokalit pro hlubinné úložiště 2015 Výběr finální lokality 2025 Výstavba podzemní laboratoře v lokalitě 2030 Zahájení provozu hlubinného úložiště 2065

Strategie pro nakládání s vyhořelým palivem Otevřený palivový cyklus – vyhořelé jaderné palivo se uloží v hlubinném úložišti Finsko, Švýcarsko, USA Uzavřený palivový cyklus – přepracování (i vícenásobné) paliva a opětovné využití surovin Francie, Velká Británie, Rusko, Japonsko Většina zemí volí „vyčkávací strategii“ Přepracování je dražší než nákup čerstvého uranu Přepracováním se nezbavíme radioaktivních odpadů, ale snížíme jejich množství a zkrátí se jejich životnost

Opětovné využití jaderného paliva Vyhořelé palivo z jaderného reaktoru je tvořeno z 95% nespotřebovaným uranem – z toho je: - 1% štěpného izotopu 235U - 1% štěpného izotopu 239Pu Vyhořelé jaderné palivo představuje dlouhodobou ekologickou zátěž způsobenou především aktinoidy Radioaktivita způsobena převážně 137Cs a 90Sr s poločasy rozpadu cca 30 let a množství radioizotopů přechází na neaktivní prvky a mohly by být odděleny (např. platina, stříbro, rhodium…) Kromě štěpných izotopů uranu a plutonia jsou v palivu také minoritní aktinoidy (Cm, Am, Np), které lze štěpit rychlými neutrony

Opětovné využití jaderného paliva  Izotop 238U se jaderném reaktoru z části přeměňuje na 239Pu 239Pu je však také možné štěpit a lze jím v palivových článcích nahradit určité množství 235U → palivo MOX (směs oxidů uranu a plutonia) Peleta paliva MOX

Přepracování vyhořelého paliva Použité palivové soubory se rozeberou, konstrukční materiály se zpracují jako odpad a palivové proutky se dále zpracovávají Metoda PUREX Palivové proutky se nasekají na malé kousky a rozpustí se v kyselině dusičné Pomocí tributylfosfátu se separuje uran a plutonium Ze získaných izotopů se vyrábí směsné palivo – MOX (Mixed Oxide Fuel) Jednotlivé izotopy plutonia se špatně separují proto je důležité z jakého zdroje přepracovávané palivo pochází

MOX palivo Palivové soubory MOX jsou konstrukčně shodné s uranovým palivem (s ohledem na typ reaktoru) MOX soubory je možné použít v tlakovodních i varných reaktorech Z hlediska neutronově-fyzikálních vlastností se palivo MOX chová jinak, proto musí být reaktory přizpůsobené na provoz s tímto palivem V současných reaktorech je možné použít přibližně 30 % MOX paliva z celkového počtu souborů, aniž by se ohrozila bezpečnost provozu reaktoru

Likvidace aktinoidů – rychlé reaktory Není moderátor, štěpení iniciují rychlé neutrony Produkují značné množství neutronů, s rostoucí energií štěpných neutronů roste počet neutronů uvolněných ze štěpení Menší pravděpodobnost štěpení→ vyšší obsah paliva v aktivní zóně, vyšší obohacení (až 30 %) Umožňují štěpení aktinoidů a tím redukci odpadů Fungují jako množivé reaktory (k produkci dochází v blanketu, neutrony středních energií) 238U → 239Pu 232Th → 233U

Likvidace aktinoidů – ADTT Zejména v minulosti byly prováděny výzkumy v možnosti transmutace vyhořelého jaderného paliva – technologie ADTT (Accelerator Driven Transmutation Technology) Hlavní cíle: Další využití velkého potenciálu jaderné energie Jaderná přeměna dlouho žijících radionuklidů (zkrácení doby, po kterou je radioaktivní odpad pro životní prostředí nebezpečný)

Likvidace aktinoidů – ADTT Princip: Lineární urychlovač vysílá vysokoenergetický svazek protonů či deuteronů na olověný terčík, v kterém tzv. tříštivými reakcemi vznikají neutrony, které "rozstřílejí" radioaktivní izotopy na radioizotopy s krátkým poločasem rozpadu nebo na neaktivní izotopy Zbývající odpad se za 10 – 50 let stane neškodným

Opětovné využití jaderného paliva - ADTT

Opětovné využití jaderného paliva - ADTT Atraktivita jaderných reaktorů založených na takovém systému je dána též jejich bezpečností Tento reaktor totiž pracuje v tzv. podkritickém režimu, který je charakterizován tím, že bez vnějšího zásahu není možné udržet štěpnou řetězovou reakci potřebnou pro jeho chod → reaktor lze kdykoliv odstavit pouze tím, že vypneme urychlovač

Lineární protonový urychlovač v laboratoři BNL v Brookhavenu

Likvidace aktinoidů – ADTT Problémy s realizací: Problém se sestrojením lineárního urychlovače s kontinuálním provozem V reaktoru musí být „okénko“ pro neutrony ze spalačního zdroje Poškození nádoby reaktoru vysokoenergetickými (až 1 GeV) protony Nízká produkce neutronů Vysoká cena transmutačních zařízení

Shrnutí Ukládání nízko a středně aktivních odpadů (NAO, SAO) v přípovrchových úložištích Komplikované ukládání vysoce aktivních odpadů (VAO) a vyhořelého jaderného paliva (VJP) Většina zemí volí vyčkávací strategii, hlubinné úložiště pro ukládání VJP se buduje pouze ve Finsku, žádost o výstavbu úložiště byla také podána ve Švédsku (2011) K redukci odpadů by mohly přispět zejména nové technologie transmutace aktinoidů (rychlé reaktory, možná ADTT) Vybudování hlubinného úložiště je nezbytné i v případě strategie uzavřeného palivového cyklu

Děkuji Vám za pozornost