Jaderná energetika - technologie a bezpečnost Dana Drábová Státní úřad pro jadernou bezpečnost Praha

O čem bude řeč? Základní informace o jaderné energii Současný stav jaderné energetiky ve světě Princip elektrárny s parní turbínou Typy reaktorů Schéma a konstrukce reaktorů používaných v ČR Řízení reaktoru Jaderná bezpečnost Nakládání s radioaktivním odpadem a vyhořelým jaderným palivem

Naše civilizace existuje díky energii Moderní energie vytvořila prosperitu Bez energie přestane být dostupné prakticky všechno, co dnes považujeme za běžnou součást života, někdy dokonce za přirozené právo: Pitná voda Zemědělství, dostatek potravin Hromadná doprava Elektřina Zdravotní péče … V zemích, jako je naše, energie nebyla v posledních letech předmětem velkého zájmu. Koneckonců, nezažívali jsme žádné významnější výpadky nebo přerušení dodávek. To se ale dost rychle a výrazně mění

Slabiny se potvrzují Nezávislost na vnějších zdrojích nedosažitelná Nedaří se stabilizovat výši spotřeby Výkyvy cen se rozšiřují na všechny komodity: ropa, plyn, uhlí, uran Neodvratný pokles konvenčních kapacit Rezervy ropy a zemního plynu v Severním moři klesají Restrukturalizace uhelného hornictví Ukončování jaderných programů Příliš pomalý růst obnovitelných zdrojů Rostoucí závislost na dováženém plynu Dosažení závazků z Kyota se jeví nemožným Vlivy na životní prostředí rostou

Tři výzvy pro energetiku bezpečnost dodávek změny klimatu energie pro chudé Jakou roli bude při řešení energetického hlavolamu, který před lidstvem stojí, hrát jaderná energetika?

Historie jaderné energie v kostce 1932 – objev neutronu 1939 – objev štěpné reakce (Hahn + Strassmann) 1942 (2.prosince) v Chicagu první kontrolovaná jaderná reakce (Enrico Fermi) 1951 – Idaho Falls (USA)) – první výroba el. proudu ve výzkumném reaktoru 1954 – Obninsk (SSSR) (SSSR) – první elektrárna dodávající do veřejné sítě (5MWe) 1956 – podepsána smlouva o výstavbě A1 v Jaslovských Bohunicích (150 MWe) 1985 – spuštěna elektrárna Dukovany 2000 – spuštěna elektrárna Temelín spuštěna elektrárna Temelín

Jak se vyvíjel počet reaktorů a instalovaná kapacita

Několik čísel - 2005 Bloky v komerčním provozu 441 Instalovaný výkon, GW(e) 370 Počet provozujících zemí 31 Vyrobená elektřina, TWh 2626 (16%) Provozní zkušenost, r-y 12000 Ve výstavbě 24

Několik čísel - EU V EU-27 je v provozu 152 jaderných bloků ve 15 zemích. Česká republika přinesla do rozšířené EU čtyři bloky v JE Dukovany a dva bloky v JE Temelín. Jejich celkový instalovaný výkon představuje 3760 MWe. Tento příspěvek je z nově přistupujících států největší. Podíl instalovaného výkonu jaderných bloků ČEZ představuje 2,5 % instalovaného výkonu všech jaderných bloků EU.

Jadernou energetiku v EU-25 nelze opominout EU-27 je největší „jaderná velmoc“ v mírovém využívání produkuje o 8% více Severní Amerika, skoro trojnásobek produkce Japonska a sedminásobek produkce RF Pouze 4 státy světa pokrývají svou spotřebu elektřiny více něž z 50% z jádra, všechny jsou v EU-27.

Přírůstky instalovaného výkonu v jádře

Podíl jaderných elektráren na světové výrobě elektřiny

Současný a budoucí stav jaderné energetiky v zemích G8 Stát Současný počet reaktorů Instalovaný výkon (MW) Podíl JE na celkové výrobě státu v r. 2005 Budoucnost jaderných elektráren v zemi USA 103 99 200 19 % plánováno 13 nových reaktorů Rusko 31 21 700 16 % plánováno 5 nových reaktorů Francie 59 63 400 79 % plánován 1 nový reaktor + obnova stávajících Japonsko 56 47 800 29 % plánováno 12 nových reaktorů Anglie 23 11 900 20 % blíže nespecifikovaný rozvoj Kanada 15 12 600 zatím rozvoj neplánuje, plánuje náhradu „jádro za jádro“ Německo 17 20 300 31 % postupný útlum do roku 2021 Itálie 0 % možný návrat k jaderné energetice

Faktory ovlivňující osud jaderné energetiky Ekonomické parametry Úroveň bezpečnosti Nakládání s vyhořelým palivem Možnost vojenského zneužití Veřejné mínění, přístup politiků Legislativní požadavky, předvídatelnost regulace

Jak dlouho vydrží uran?

Jeden z četných průzkumů veřejného mínění

Uran je třeba vytěžit a zpracovat Uranium is mined from the earth through surface, underground, or solution mining. In the United States, nearly all uranium is solution mined. A solution is injected into the uranium ore deposit then pumped out. The uranium then is separated from the solution. Uranium also is obtained as a by-product in the production of phosphate, sulfur, vanadium, copper and gold. After the uranium is mined, it must be refined through further processing.

Uranová ruda  Hexafluorid Plynná forma pro obohacení Pevné skupenství Drums of uranium ore concentrate are shipped to a conversion plant, where they will be cleansed of impurities and converted to uranium hexafluoride, shown here in cylinders. The uranium hexafluroide is heated to become a gas, then cooled and condensed to a solid.

Obohacování zvyšuje koncentraci U-235 These are uranium centrifuges—one method of enriching uranium. Uranium contains two kinds—or isotopes—of uranium. The enrichment process concentrates the isotope that is most useful in energy production. Enriched uranium will operate a nuclear power plant, but is not concentrated sufficiently to make a nuclear bomb.

Uranové pelety Finally, the uranium hexafluoride is shipped to a fuel fabricator, where it is manufactured into solid ceramic pellets, about the size of the end of a finger.

Palivový článek

Palivové proutky naplněné peletami jsou poskládány do palivových článků The pellets are inserted into long metal tubes called fuel rods. The fuel rods are made of zirconium—which resists heat, radiation and corrosion. The rods are bundled together into fuel assemblies, which are placed in the reactor.

Jaderná elektrárna se odlišuje od klasické uhelné elektrárny především jaderným reaktorem a jeho aktivní zónou. Jaderný reaktor je zařízení, v němž se uskutečňuje řízená štěpná řetězová reakce doprovázená přeměnou jaderné energie v energii tepelnou.

Aktivní zóna dnešních energetických reaktorů představuje soubor uranových palivových článků uspořádaných konstrukčně v prostoru tak, aby umožňovaly průběh a řízení štěpné řetězové reakce a současně odvod uvolněné tepelné energie. Štěpnou řetězovou reakci udržují neutrony, které vznikají během štěpení.

Jaderná energie Jádra po štěpení Neutrony Jádro U-235 When a nuclear power plant starts up, neutrons are released. When they strike the uranium atoms in the fuel pellets, the atoms split—or fission.

Štěpení jádra uvolňuje další neutrony a teplo The splittingor fissioningof the atoms then releases neutrons, along with energy in the form of heat.

Řízená řetězová reakce palivové články Kontrolní tyče Plant operators can control the chain reaction. Long rods are inserted among the fuel assemblies. These "control rods" are made to absorb neutrons, so the neutrons can no longer hit atoms and make them split. To speed up the chain reaction, plant operators withdraw the control rods, either partially or fully. To slow it, they insert the control rods. zasouváním tyčí reakce slábne vytahováním tyčí reakce narůstá

Jaderná elektrárna, turbína a generátor Pára All steam-electric power plants—nuclear, coal, gas and oil—run according to the same principles. Water is boiled to make steam. The steam is used to drive a turbine. The blades of the turbine spin the shaft of a generator. Inside the generator, coils of wire and magnetic fields interact—and electricity is created. Lopatky turbíny Vařící voda

Teplo produkuje páru, vyrábí se elektřina Pára Turbína Generátor Pára Elektřina Teplo This process continues in a chain reaction, producing a great deal of heat. It is this process—creating heat through the splitting of atoms—that turns water to steam. The steam is moved from the reactor to turn the turbine-generator, which makes electricity. All radioactive water stays within the reactor system and is not released into the environment.

Bezpečnost je součástí projektu ochrana do hloubky, bariéry Ochranná obálka Ocel 5 cm Předepnutý beton 1,5m Stavební konstrukce okolo reaktoru Biologické stínění ocel Reaktorová nádoba Ocel 20 cm Palivové články Nuclear power plants use a series of physical barriers to make sure radioactive material cannot escape. In today’s water-cooled reactors, the first barrier is the fuel itself: the solid ceramic uranium pellets. Most of the radioactive by-products of the fission process remain inside the pellets. The pellets are sealed in zirconium rods, 12 feet long and half an inch in diameter. The fuel rods are placed inside a large steel reactor vessel, with walls 8 inches thick. The vessel is surrounded by 3 feet of concrete shielding. At most plants, a leak-tight steel liner covers the inside walls of the containment building. The containment building is a massive, reinforced concrete structure with walls 4 feet thick.

Co je to, když se řekne jaderná bezpečnost? Stav a schopnost jaderného zařízení a osob obsluhujících jaderné zařízení zabránit nekontrolovatelnému rozvoji štěpné řetězové reakce nebo nedovolenému úniku radioaktivních látek nebo ionizujícího záření do životního prostředí a omezovat následky nehod. Potenciální riziko jaderných elektráren spočívá v možnosti ztráty kontroly nad řízením štěpné řetězové reakce a v množství radioaktivních látek nahromaděných v aktivní zóně reaktoru během jeho provozu, zejména v souvislosti s jejich možnou disperzí do životního prostředí v důsledku nedovoleného úniku.

Izolaci radioaktivních látek obsažených v aktivní zóně energetického reaktoru a zamezení jejich úniku do životního prostředí zajišťuje systém čtyř ochranných technických bariér, jimiž jsou: palivová matrice, pokrytí paliva, primární okruh reaktoru systém ochranné obálky. Integrita těchto bariér je základním předpokladem bezpečnosti jaderné elektrárny.

Primární okruh

Jaderné elektrárny u nás Dukovany 4x440 MWe V provozu od roku 2004 Celková produkce 50 TWh Temelín 2x1000 MWe V provozu od roku 1985 Celková produkce 250 TWh

Zdroje a typy radioaktivních odpadů vojenské programy zdroje IZ v medicíně a průmyslu NORM v důsledku aktivit člověka jaderná energetika provoz vyřazování nehody

Kolik RAO vyprodukuje jaderná energetika? uran je velmi koncentrovaná energetická surovina, tuna uranu použitá v typickém tlakovodním reaktoru vyrobí tolik elektřiny jako přibližně 20 tisíc tun uhlí množství odpadu z jaderných elektráren je podle průmyslových měřítek malé, nezahrnuje skleníkové plyny

Kolik RAO vyprodukuje jaderná energetika? 1000 MW reaktor potřebuje ročně 32 tun paliva obsahujícího 26 tun uranu vyprodukuje 7TWh elektřiny (80% load faktor) bez přepracování zůstane 32 tun použitého paliva (25 tun těžkých kovů, zejména uran, neptunium, plutonium, americium) pro skladování a uložení a příbližně 300 m3 nízko a středně aktivního odpadu

Kolik RAO vyprodukuje jaderná energetika? roční produkce odpadů v EU

Odpady ročně produkované různými typy elektráren

A co u nás? 3 724 Zdroj VAO - provoz (m3) VAO – vyřazování (m3) VJP (t) EDU (1985-2025) 50 -- 1 937 EDU (2085-2094) 2 000 ETE (2000-2042) 1 787 ETE (2090-2095) 624 Celkem JE 2724 3 724 Instit. (1958-2000) 80 5 0,2 Instit. (2000-2050) 150 0,3 Celkem instituce 285 0,5

Co obsahuje vyhořelé palivo? 0,9% Pu 3,3 % štěpných produktů 0,06% aktinidů

Co obsahuje vyhořelé palivo?

Co obsahuje vyhořelé palivo?

Jak se s vyhořelým palivem zachází? Palivové články pro tlakovodní reaktory jsou pokryty obalem z vysoce odolné slitiny zirkonia, která je mnohem odolnější než například nerezavějící ocel. Palivové články v reaktoru musely vydržet teploty kolem 300 ° C a tlak přes 12 MPa, snadno tedy odolají mnohem mírnějším podmínkám při skladování a další manipulaci. Vyhořelé články se z reaktoru vyjmou a pod hladinou vody kanálem převezou do bazénu vyhořelého paliva, který je v reaktorové hale vedle reaktoru. Tam jsou pod vodou uloženy asi 5 až 10 let. Voda je neustále chladí, protože radioaktivním rozpadem se v nich stále vyvíjí teplo. Jejich radioaktivita klesne mezitím asi na 50 % původní hodnoty. Vyhořelé články se pak vloží do speciálních kontejnerů a odvezou do meziskladu vyhořelého paliva. Zde se skladují řádově několik desítek let.

Jak se s vyhořelým palivem zachází? Palivové články se z reaktoru odstraňují, když dosáhnou určeného vyhoření (obvykle po 3 – 4 letech) Po vyjmutí z reaktoru jsou palivové články vysoce aktivní, zejména díky záření emitovanému ze štěpných produktů Rovněž generují teplo a tak potřebují chlazení, aby se zabránilo tavení (po deseti letech mimo reaktor produkuje palivový článek stále několik set kW)

Jak se s vyhořelým palivem zachází? Po vyjmutí z reaktoru se VJP skladuje cca 5 let ve skladovacích bazénech

Bazény skladování - Dukovany K 31. prosinci 2004 bylo ve všech čtyřech bazénech skladováno 2270 ks PS o celkové hmotnosti 488 050 kg, přičemž hmotnost TK činí přibližně 271 000 kg.

Kontejner CASTOR – 440/84 Transportně skladovací kontejner Kapacita 84 palivových článků Celková hmotnost plného kontejneru 116 tun Rozměr  2,6 x 4,1 m

Sklad VJP Dukovany (ČEZ, a. s.) Suché skladování Kontejnery CASTOR SKODA -NUKEM 84 palivových souborů 60 kontejnerů v provozu od 1996 v realizaci rozšíření na dvojnásobnou kapacitu obdobný sklad připravován pro ETE

Hlubinné úložiště Kapacita min. 4000 t VJP Předpokládaný provoz od roku 2065

Multibariérový princip

Nehody a havárie Černobyl Kyštym Windscale, Three Mile Island Tokaimura, Paks, Saint Laurent, A1

Závěrečné zamyšlení Na kterou ze známých forem energie se v několika příštích desetiletích soustředíme při uspokojování svých potřeb? Jednoduchá odpověď. Na všechny. Jinak to nepůjde. Energie totiž hraje v našem životě stále důležitější roli. I když to už skoro nevnímáme, bez ní by nebylo dostupné prakticky nic, co dnes považujeme za běžnou součást každodenního života, například pitná voda, potraviny,teplo pro naše obydlí, doprava, zdravotnictví. Energii však neumíme získat lacino a snadno.

Závěrečné zamyšlení Každý z dnes dostupných zdrojů má své přednosti i nevýhody, zvláště pokud jde o oblast ochrany životního prostředí. Každý nový zdroj je drahý, vysoké náklady jsou třeba i pro udržování a modernizaci přenosových a distribučních soustav. Není tu místo pro předsudky, pro zavržení jednoho zdroje či pro glorifikaci jiného. Stále více se sice učíme využívat obnovitelné zdroje energie jako vítr, slunce, biomasu, přesto současná světová energetika stojí především na spalování fosilních paliv. Ropa, uhlí a zemní plyn pokrývají téměř čtyři pětiny spotřeby primárních energetických zdrojů, výroba elektřiny na nich závisí ze dvou třetin. Rozumné využívání obnovitelných zdrojů a výzkum a vývoj v této oblasti je bezesporu třeba podporovat promyšlenými zásahy státu. I když bychom však využili všechny možnosti, které v současné době máme a které přicházejí v úvahu, nedokážeme zřejmě z obnovitelných zdrojů v příštích padesáti letech pokrýt více než čtvrtinu našich současných energetických potřeb. V průběhu 21. století nevyhnutelně dojde k zásadním proměnám struktury energetiky. Je nutno omezit spotřebu fosilních paliv kvůli riziku globálních změn podnebí a vyčerpávání geologických zásob. Všechny dostupné studie a prognózy však očekávají během tohoto století výrazný nárůst energetických potřeb lidstva, zejména v doposud méně rozvinutých zemích.

Klademe si správné otázky? Otázka nezní: „Líbí se nám jaderná energetika?“ Spíše bychom se měli ptát: „Máme za jádro v následujících nejméně 30-ti letech rozumnou náhradu?“ „Jaká je cena dalšího využívání jádra, jaká je cena jeho odmítnutí?“ „Jaké si máme stanovit požadavky pro další využívání jádra v případě, že cena za odmítnutí je příliš vysoká?“