Upload
others
View
7
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Úložiště jaderného odpadu
Ing. František Lemfeldpřednáška pro předměty Jaderná energetika, Termodynamika a
sdílení tepla
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Technická univerzita v LiberciStrojní fakultaKatedra energetických zařízení
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
.
Nízko-aktivní radioaktivní odpadlow-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.
příklad odpadů:
rukavice
nářadí
oblečení
filtry
předměty z aktivní zóny JE
ukázka odpadu (www.tvo.fi)
Středně-aktivní radioaktivní odpadintermediate-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
.
odstranění reaktoru – JE Zion
čištění kontejnmentu
zdroj: Exelon Generation
Vysoko-aktivní radioaktivní odpadhigh 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 12 000 tun/rok (marathonresources.com)
.
transportní sud - Olkiluotopřeprava vyhořelého paliva v elektrárně
zdroj: POSIVA
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady
Návštěva elektrárny Olkiluoto - Finsko
zdroj: POSIVA
• JE Loviisa
LLW a MLW od 1998
• JE Olkiluoto
LLW a MLW od 1992
HLW ve výstavbě od 2004
plánované uvedení do provozu 2020
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
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady Olkiluoto
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
• poloostrov s prostorem až pro 7 bloků jaderných elektráren s kompletním zázemím
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady Olkiluoto
zdroj: TVO
• 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 40 000 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
ukázka plnění sudů s odpadem
• Úložiště bude rozšířeno pro odpad vzniklý při odstavení jednotlivých bloků z provozu (OL1,OL2)• Cena stavby v r. 1992 – 18 mil. UDS
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady
zdroj: TVO
• 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 m3, 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
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady Olkiluoto – současný stav
zdroj: POSIVA
schéma podoby úložiště
• 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
• s výstavbou bloků OL3 a OL4 je v plánu rozšíření úložiště
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady: popis stavby
vstup do objektu úložiště dveře do tunelu
cesta transportním tunelem do haly se zásobníky
přístup do výkopového tunelu – používán při konstrukčních pracích na úložišti
tunel pro zavezení odpadů do úložiště – cesta dostatečně dimenzována pro průjezd upraveného transportního vozidla
pozice v tunelu
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
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady: současný stav
zdroj: POSIVA
zásobníky LLW a MLW dostačující pro bloky OL1, OL2
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady
zdroj: POSIVA
k dopravě odpadů do úložiště slouží speciálně vytvořené vozidlo
pomocí instalovaného jeřábu je box s odpadem umístěn doodpovídajícího sila
příprava vyložení materiálu jeřábová hala
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady
tuhý odpadbetonový boxbetonový zásobníkvýplňový materiálhranice odstřeluskalní podloží
pohled do zásobníku – současné zaplnění – 1/2
odpad v barelech je naložen do boxů, které jsou v řadách na sobě ukládány do zásobníků
v úložišti probíhá pravidelné měření radiacevícevrstvá ochrana před průnikem odpadů do životního prostředí
Úložiště pro nízko-aktivní a středně-aktivní odpady Olkiluoto – plánované rozšíření
zdroj: POSIVAschéma úložiště
• vybudováno úložiště LLW a MLW pro bloky OL1 a OL2
• znázorněny připravované zásobníky pro LLW a MLW odpad z budoucích bloků OL3 a OL4
• zásobníky pro radioaktivní odpad z likvidace jednotlivých bloků (odstavení elektrárny z provozu)
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-235
4 – 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
Těžba uranu
• Uran je v přírodě zastoupen cca 500x více než zlato.• Hloubka ložiska pod povrchem spolu s místními
geologickými podmínkami rozhodují o volbě mezipovrchovým a podzemním způsobem těžby.
• Povrchová těžba vyžaduje vytvoření těžní jámy poněkudvětší, než je velikost rudného ložiska - sklon stěn musí býttakový, aby nemohlo dojít k jejich sesuvu.
• Množství materiálu, který musí být přemístěn pro zajištěnípřístupu k ložisku, může být značné.
Uranový důl Mary Kathleen v Austrálii
Těžba uranu
Princip těžby uranu vyluhováním
• Při hloubce ložiska větší než přibližně 200 m pod povrchemje výhodnější podzemní způsob těžby.
• Vytěžený prostor se vyplňuje odpadním materiálemz chemické úpravy.
• Kromě rizik vlivem působení hluku, vibrací, prachu,chemikálií, výbušnin a možnosti sesuvu horniny, které jsouvlastní všem těžebním činnostem, je těžba uranu spojenas rizikem zevního a vnitřního ozáření.
Rafinace uranu
• Výstupem z těžby a následné chemické úpravny je uranovýkoncentrát 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 chemickéformy uranu (UO3, UO2, UF4) konvertován na hexafluoriduranu UF6 případně na kovový uran.
• UF6 je jediná plynná sloučenina uranu vhodná pro stálenejpoužívanější obohacovací postupy - difusní a odstředivý.
• Konverzí vzniklý plynný UF6 je nejprve stlačením aochlazením převeden do kapalného stavu, ve kterém jepřečerpán do přepravních kontejnerů. V nich postupněchladne a přechází do tuhého stavu, v němž je transportovándo obohacovacího závodu.
Obohacování uranu
• Difuzní obohacování – ve směsi plynů se lehčí molekulypohybují rychleji než těžší – častěji narážejí na stěny – pokudje stěnou membrána odpovídající velikosti molekul – směsplynu za membránou má vyšší koncentraci lehčích molekul
• Odstředivé obohacování - Centrifugy se slučují do stupňů(paralelně, pro zvýšení produkce) a do kaskád (sériově, prozvýšení stupně obohacení)
• Laserové obohacování - potenciální třetí generaceobohacovacích technologií vyznačující se nižšímienergetickými nároky a nižšími investičními náklady.
Centrifugy pro obohacování uranu –Novosibirský závod
zdroj: http://www.nuclearsites.co.uk/
Výroba peletek - Springfield
Palivová kazeta
• peletky
zdroj: TVO
oxid uraničitý
palivo pro OL3 komponenty palivové kazety pro bloky OL1 a OL2
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
Výměna paliva v elektrárně
• při výměně paliva je nejprve bazén reaktoru naplněn vodou – při manipulaci s palivem vrstva vody značně snižuje intenzitu radioaktivního záření
zdroj: TVO
• 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
Výměna paliva v elektrárně
Zcela zásadní je správnéumístění palivových kazet vreaktoru – kazety se liší stářím ivýkonem. Rovnoměrnádistribuce energie v reaktoruzaručuje vysokou bezpečnostprovozu a ekonomicky efektivnívyužití 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
Dočasné úložiště paliva v elektrárně Olkiluoto
Po několika letech se palivo přemístí z bazénu vedle reaktoru dodočasného úložiště. Bazén v úložišti má vlastní systém chlazení,který odvádí teplo do moře (Olkiluoto). Zde zůstává palivouskladněno minimálně po dobu 40 let, pak je možný jeho převozdo hlubinného úložiště.
zdroj: TVO
Hlubinné úložiště
Dochází zde ke konečnému (trvalému) uložení vysokoaktivníhoodpadu.
Budované úložiště u elektrárny Olkiluoto
Složení čerstvého a použitého jaderného paliva
zdroj: TVO
Hlubinné úložiště
Znázornění uložení paliva do skalního podloží
Peletky – Palivová tyč a kazeta – Vnitřní mřížka – Měděnýkanystr – Betonová bariéra – Skalní podloží
zdroj: POSIVA
Hlubinné úložiště – geologický průzkum
Lokalita pro umístění hlubinného úložiště musísplňovat řadu kritérií. Při geologickém průzkumudochází ke stanovení hlavních zlomových oblastí.
Těžební vzorky
Hlubinné úložiště – rozvržení tunelů
Na základě stanovení zlomových oblastí pak bylo zvolenorozmístění tunelů úložiště.
Plánované rozmístění tunelů – Oblast s kapacitou pro uloženívyhořelého paliva ze současných elektráren (6500 tun – zeleně),plánované rozšíření o 9000 tun modře, 12 000 tun fialově.
Hlubinné úložiště – působící vlivy
Při návrhu způsobu uložení a kontejneru je nutno brát v potazřadu vlivů – chemické změny, účinek spodní vody, teplogenerované palivem, pohyb a rozpínání horniny, koroze apod.
Dvouvrstvé provedení kontejneru pro vyhořelé palivo
Hlubinné úložiště – Onlako
Při budování úložiště je nutné zhotovit přístupové tunely, výtah aventilační šachtyOnkalo – název pro zařízení na vyhodnocování hornin vpodzemí při stavbě úložiště
Provádění podzemních studiíRozvržení přístupových tunelů
Hlubinné úložiště – šachty a tunely
Napojení konstrukčních tunelů Onkalo na systém chodebúložiště
Objem úložiště přirůzných množstvíchpaliva
Hlubinné úložiště – postup stavby tunelů
Vzdálenost úložiště od areálu elektrárny
Vstup do tunelu
Uzavření kontejnerů před uložením v úložišti
Schéma budovy, která bude sloužit ke kompletaci kontejnerů, jejich uzavření a kontrole před spuštěním do úložiště.
Varianty kontejnerů
Předpokládaný průběh prací na úložišti
Kontejnery na vyhořelépalivo jsou odlišné pro 3typy elektráren ve Finsku
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)
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 10-11°C.
zdroj: POSIVA
Kalkulace radiace v případě defektu kontejneru
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
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
Produkce elektrické energie z bloků OL1 a OL2
počáteční výkon obou bloků v roce 1980 – 660 MWe
po modernizacích reaktoru a turbíny od r. 2005 výkon 860 MWe
Výměna paliva v elektrárně
bazén kompletně napuštěn vodou
výkon reaktoru odstraněno pomocí jeřábu
obsluha provádí výměnu paliva
Sestava turbín – OL1 a OL2
pára, která proudí v potrubí pochází přímo z reaktoru – prostor není zdůvodu vysokých dávek radioaktivního záření za provozu přístupný
po odstavení reaktoru trvá cca 8-12 hodin, než intenzita zářenípoklesne na hodnoty, při kterých lze začít provádět údržbu