Jaderná elektrárna zblízka
Fyzikální základy
Poznatky o atomech, na kterých staví jaderná energetika
Lehoučká elektronová mlha, kterou si jádro kolem sebe vydržuje, je statisíckrát lehčí. Atomové jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů. Ani ty však nejsou nedělitelné. Skládají se z takzvaných kvarků. I kvarky mají svoji vnitřní strukturu.
Tvary molekul
Lehoučký oblak elektronové mlhy, který se drží kolem atomového jádra, nabývá různých tvarů podle toho, k jakému jádru patří. Potkají-li se atomy, okraje jejich oblaků se mohou prolnout a nabýt společný tvar, který drží více atomů pohromadě – takto probíhá chemická reakce a vznikají molekuly a sloučeniny.
Jádra atomů
Základy jaderné a reaktorové fyziky
Jádro atomu se skládá z protonů a neutronů, jak je tedy možné, že drží pohromadě, když kladné náboje se podle Coulombova zákona vzájemně odpuzují? Ani přitažlivá gravitační síla toto nevysvětlí, protože jednoduchým výpočtem zjistíme, že je asi 1036 krát slabší než odpudivá elektrická síla. Ve světě atomových jader zkrátka působí tzv. jaderné síly. Přitažlivé jaderné síly jsou asi tisíckrát silnější než síly elektromagnetické, ale mají velmi krátký dosah. Začínají působit teprve tehdy, když jsou nukleony tak těsně u sebe, že se téměř dotýkají (je to podobné jako u lepivých bonbonů, které také drží spolu teprve tehdy, když se dotýkají). Abychom roztrhli nukleony v jádře od sebe, musíme vykonat práci, která je rovna tzv. vazbové (nebo také vazebné) energii. Když budeme trhat jádra na jednotlivé nukleony, zjistíme zajímavou věc: hmotnost atomových jader je o něco nižší než součet hmotností jednotlivých nukleonů, které jádra tvoří. Rozdílu mezi oběma hmotnostmi se říká hmotnostní schodek jádra. Vazebná energie jádra je mírou jeho stability. Čím je vazebná energie jádra větší, tím je nesnadnější rozložit ho na jednotlivé volné nukleony. Síly v mikrosvětě se řídí Einsteinovým vzorcem E=mc2. Částice, která se připojí k jádru, musí za svůj vstup zaplatit kusem své hmotnosti m=E/c2 a stejnou energii jí musíme zvnějšku dodat, když chceme, aby se opět odpoutala. A tady je klíč k uvolnění alespoň malé části obrovské klidové energie látky, která je soustředěna v jádrech atomů – jaderné energie.
Zobrazme si graficky střední vazebnou energii (tj. vazebnou energii připadající na jeden nukleon) v závislosti na počtu nukleonů. Z grafu je názorně vidět, kde jsou možnosti získání energie. Jestliže těžké jádro rozštěpíme na dvě lehčí, uvolní se energie. Při jednom procesu štěpení těžkého jádra se uvolní asi 0,1 % klidové energie těžkého jádra. Při štěpení tedy získáme ze hmoty miliardkrát více energie než při hoření. Mnohem více energie se uvolní při sloučení dvou jader lehkých (tzv. fúze) – až 1 % klidové energie hmoty.
Enrico Fermi, italský vědec, si uvědomil, že po rozštěpení jádra se mimo jiné uvolní i neutrony. Tyto neutrony za příznivých okolností rozbijí další jádra a opět z nich uvolní neutrony. Ty opět rozštěpí další jádra… Tak vznikne samovolná řetězová reakce.
První řízenou řetězovou štěpnou reakci uranu rozběhl Fermi pod chicagským univerzitním stadionem Stagg Field 2. prosince 1942. První reaktor světa reagoval přesně podle výpočtů na zasouvání regulačních kadmiových tyčí. 20 minut reaktor "běžel" a ohřál grafitový milíř o několik stupňů Celsia.
Dnes už vypadají reaktory podstatně jinak. Uranové články mají hermetické povlaky, aktivní zóny reaktorů jsou opatřeny tzv. reflektory, odrážejícími unikající neutrony, a uzavřeny kombinovanými plášti a štíty z olova a betonu. Původně ruční řízení vytahováním regulačních tyčí zajišťuje automatika a k rychlému zastavení reakce slouží tyče havarijní ochrany, vstřelované do aktivní zóny.
V srdci jaderného reaktoru
Proč vzniká při jaderném štěpení teplo
Počátečním impulsem pro štěpení jádra je interakce jádra s neutronem. Štěpící se jádro se deformuje, protahuje, až odpudivé elektrické síly převáží a kladná dceřiná jádra se s odporem od sebe rozletí rychlostí asi 10 000 km/s. Mají obrovskou kinetickou energii. Cestou brzdí v okolním prostředí, srážejí se s jinými atomy, kradou jim elektrony a tvoří si z nich nové elektronové obaly. Postupně se uklidňují a jejich kinetická energie přechází až na energii kmitů atomů a molekul, tedy do formy tepelné energie.
Při štěpení jádra uranu vylétne vždy i několik neutronů, nejčastěji dva nebo tři. Mohou narazit do dalších jader uranu a vyvolat další štěpení. Vzniká řetězová reakce. Pokud jí necháme volný průběh, bude takzvaně neřízená. Můžeme ale vhodnou látkou přebytečné neutrony lapat a reakci tak řídit. Povytahováním kadmiových tyčí řídil svůj první reaktor Enrico Fermi, koncentrací kyseliny borité a vytahováním tyčí s bórem se řídí většina reaktorů dnešní doby.
Absorpční tyče
Moderátor neutronů
Toto je osud neutronu v tzv. pomalých reaktorech, které jsou na světě nejrozšířenější. Štěpným materiálem v palivu těchto reaktorů je izotop uranu 235. Pro tento izotop je totiž charakteristický růst pravděpodobnosti štěpení s poklesem rychlosti (energie) neutronů.
Rychlý neutron se změnil na pomalý neutron. Ten opět naráží na jádro uranu 235. Tentokrát se už ale neodrazí. S vysokou pravděpodobností jádro rozštěpí a nastává řetězová štěpná reakce. Aby se reakce nemohla rozvíjet živelně a nekontrolovaně, je v reaktoru absorbátor, který přebytečné neutrony pohlcuje.
Toto je osud neutronu v tzv. pomalých reaktorech, které jsou na světě nejrozšířenější. Štěpným materiálem v palivu těchto reaktorů je izotop uranu 235. Pro tento izotop je totiž charakteristický růst pravděpodobnosti štěpení s poklesem rychlosti (energie) neutronů.
Energetické reaktory
Část reaktoru, do které se vkládá palivo a kde také probíhá štěpná reakce, se nazývá aktivní zóna. Palivové proutky jsou chráněné povlakem ze speciální slitiny, nejčastěji na bázi zirkonia, která zaručí předání tepla z paliva chladivu a zároveň nepropustí vzniklé radioaktivní štěpné produkty. U některých typů reaktorů je palivo ve formě koulí, které se volně spouštějí do aktivní zóny.
Moderátorem (zpomalovačem) bývá u reaktoru, kde štěpení obstarávají pomalé neutrony, nejčastěji voda, ale také grafit nebo těžká voda (D2O). U reaktorů, které pracují na bázi rychlých neutronů (štěpitelným izotopem je uran 238U nebo plutonium), moderátor chybí.
Absorbátor se do aktivní zóny vkládá také ve formě tyčí, podobně jako palivo. Palivové kazety někdy mívají dvě části – v dolní je palivo, v horní absorbátor. Výkon reaktoru se pak reguluje výškou vytažení nebo zasunutí kazet do aktivní zóny. Pro případ okamžitého zastavení výkonu reaktoru jsou připraveny havarijní tyče. V nich bývá mnohem vyšší koncentrace absorbátoru než v tyčích regulačních.
Havarijní tyče jsou vysunuty nahoru nad aktivní zónu, kde drží pomocí elektromagnetů. V případě potřeby havarijní signál vypne elektromagnety a tyče spadnou volným pádem do aktivní zóny, čímž štěpnou reakci zastaví. U některých reaktorů se dokonce tyče do aktivní zóny vstřelují, takže jejich zásah je ještě rychlejší. Absorbátor někdy bývá přítomen přímo v chladivu – u tlakovodních reaktorů se používá kyselina boritá. Její množství v chladivu se dá snadno regulovat a tím regulovat počet neutronů účastnících se štěpné reakce.
Chladivem je médium, které odvádí teplo tam, kde ho můžeme využít. Štěpící se materiál je potřeba neustále ochlazovat, aby nedošlo k roztavení povlaku na palivovém proutku a úniku štěpných produktů. Jako chladivo se nejlépe osvědčuje obyčejná voda, těžká voda, oxid uhličitý, helium, sodík a některé soli nebo slitiny. Reaktory mívají jeden nebo více chladicích okruhů.
Konstrukce jaderných reaktorů
Princip reaktorů je v podstatě jednoduchý, jejich konstrukce však velmi složitá. Obecně je reaktor veliká nádoba nebo soustava nádob, která musí odolávat vysokým tlakům, teplotám a intenzivnímu toku neutronů. Proto i její výroba je velmi náročná a použité materiály musí být speciálně čisté a odolné.
Základní konstrukce jsou:
- Reaktor s tlakovou nádobou: Používá se tam, kde objem paliva je přibližně stejně velký jako objem moderátoru. Reaktorová nádoba je vyrobena ze speciální nerezavějící ocele, váží několik set tun, průměr bývá okolo 7 metrů a výška až 23 metrů.
- Reaktor s nádobou ze železobetonu: Při konstrukci jaderných reaktorů používajících ke zpomalování neutronů grafit by pro vyšší výkony musely reaktorové nádoby být takových rozměrů, že by se prakticky nedaly vyrobit ani převézt na místo stavby elektrárny. Proto se reaktorové nádoby budují přímo na staveništi ze železobetonu. Vnitřní rozměry takových železobetonových nádob dosahují desítek metrů. Jsou velmi odolné proti tlaku, tzn. i velmi bezpečné.
- Reaktor s tlakovými trubkami: Je vhodný v případech, kde objem moderátoru je mnohem větší než objem paliva. Palivo je umístěno v trubkách obklopených bloky moderátoru a celý systém je uzavřen v betonové budově.
Typy reaktorů
Tlakovodní reaktor PWR (Pressurized light-Water moderated and cooled Reactor) nebo ruský typ VVER (Vodo -Vodjanoj Energetičeskij Reaktor) je dnes ve světě nejrozšířenějším typem. Tlakovodních reaktorů pracuje asi 253, tj. 57 % ze všech světových energetických reaktorů. Původně byl vyvinut v USA, později koncepci převzalo i Rusko. Stejné reaktory jsou pro svou vysokou bezpečnost používány i k pohonu jaderných ponorek či letadlových lodí. Palivem je obohacený uran ve formě tabletek oxidu uraničitého uspořádaných do palivových tyčí. Výměna paliva probíhá při odstaveném reaktoru zpravidla jednou za 1 až 1 a půl roku. Nahradí se 1/4 vyhořelých článků. Moderátorem i chladivem je obyčejná voda. Proudí v primárním okruhu pod velkým tlakem a o teplotě kolem 300 °C. V parogenerátoru ohřívá vodu sekundárního okruhu, ta se mění na páru a žene turbínu.
Varný reaktor BWR (Boiling Water Reactor) je druhý nejrozšířenější typ, těchto reaktorů pracuje na světě asi 94, což je asi 21 % celkového počtu. Palivem je mírně obohacený uran ve formě válečků oxidu uraničitého uspořádaných do palivových tyčí. Výměna paliva probíhá při odstaveném reaktoru zpravidla jednou za 1 až 1 a půl roku. Aktivní zóna je podobná aktivní zóně tlakovodního reaktoru. Moderátorem i chladivem je obyčejná voda. Voda se ohřívá až do varu přímo v tlakové nádobě a v horní části reaktoru se hromadí pára. Pára se zbaví vlhkosti a žene se přímo k turbíně. Elektrárny s reaktory BWR jsou tedy jednookruhové.
Těžkovodní reaktor CANDU byl vyvinut v Kanadě a exportován také do Indie, Pákistánu, Argentiny, Koreje a Rumunska. Dnes pracuje ve světě asi 35 takových reaktorů. Palivem je pří rodní uran ve formě oxidu uraničitého, chladivem a moderátorem je těžká voda D2O. Aktivní zóna je v nádobě tvaru ležícího válce, která má v sobě vodorovné průduchy pro tlakové trubky. Těžkovodní moderátor v nádobě musí být chlazen, neboť moderační schopnost se snižuje se zvyšující se teplotou. Těžká voda z prvního chladicího okruhu předává své teplo obyčejné vodě v parogenerátoru, odkud se vede pára na turbínu.
Plynem chlazený reaktor Magnox GCR (Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor) se používá ve Velké Británii a dnes již dosluhuje. Palivem je přírodní kovový uran ve formě tyčí pokrytých oxidem magnezia. Aktivní zóna se skládá z grafitových bloků (moderátor), kterými prochází několik tisíc kanálů, do každého se umísťuje několik palivových tyčí. Aktivní zóna je uzavřena v kulové ocelové tlakové nádobě se silným betonovým stíněním. Palivo se vyměňuje za provozu. Chladivem je oxid uhličitý, který se po ohřátí vede do parogenerátoru, kde předá teplo vodě sekundárního okruhu.
Pokročilý plynem chlazený reaktor AGR (Advanced Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor) se zatím používá výhradně ve Velké Británii. Palivem je uran obohacený izotopem 235U ve formě oxidu uraničitého, moderátorem grafit, chladivem oxid uhličitý. Elektrárna je dvouokruhová.
Rychlý množivý reaktor FBR (Fast Breeder Reactor) pracuje v Rusku, v Číně, Indii a Japonsku jsou demonstrační reaktory tohoto typu. V dlouhodobé perspektivě je těmto reaktorům přisuzován velký význam (tzv. Generace IV).
Palivem je plutonium ve směsi oxidu plutoničitého a uraničitého. Během provozu vyprodukuje více nového plutoniového paliva, než kolik sám spálí. Reaktor nemá moderátor, řízená štěpná reakce v něm probíhá působením nezpomalených, rychlých neutronů. Aktivní zóna tvořená svazky palivových tyčí je obklopena "plodícím" pláštěm z uranu. V každém litru objemu FBR se uvolňuje až desetkrát více tepla než u klasických pomalých reaktorů. Plyn ani voda takové množství tepla nemohou odvádět, voda navíc zpomaluje neutrony. Proto přichází na řadu sodík, lehký kov, který je při teplotách nad 100 °C tekutý a jeho pohyb se velmi snadno kontroluje elektrickými čidly. Sodík má mnohem lepší tepelnou vodivost než voda i mnohem vyšší teplotu varu (téměř 900 °C při atmosférickém tlaku). Teplota sodíku se na výstupu rychlého reaktoru pohybuje obvykle kolem 550 °C, takže chladivo je na rozdíl od tlakovodních reaktorů hluboko pod bodem varu. To je z hlediska bezpečnosti výhodné. Zásadním problémem sodíku je ale jeho velká chemická reaktivita s kyslíkem. Musí se proto zajistit co nejbezpečnější oddělení sodíkového okruhu od vody i od vzduchu. Navíc se sodíkový okruh zpravidla zdvojuje, aby nedošlo ani při nepravděpodobné havárii s požárem k úniku aktivity. Sodík ze sekundárního okruhu proudí do parogenerátoru, kde ve třetím okruhu ohřívá vodu na páru.
Štěpitelný uran 235U tvoří pouze 0,7 % přírodního uranu. Pokud by se jaderná energetika opírala pouze o přírodní uran, jako je tomu dnes, nevydržely by jeho zásoby lidstvu o nic déle než zásoby ropy. Pokud by však energetika využívala štěpitelné plutonium vyrobené rychlými množivými reaktory z uranu 238U (nebo uranu 233U, který stejným procesem vzniká z thoria 232Th), mohly by zásoby paliva pokrývat současné energetické potřeby stovky let.
Reaktor typu RBMK (Reaktor Bolšoj Moščnosti Kanalnyj), známá je též zkratka LWGR, se používá výhradně na území bývalého SSSR. Tohoto typu byl reaktor první jaderné elektrárny v Obninsku i reaktor v Černobylu. Další reaktory tohoto typu se již nestaví. Palivem je přírodní nebo slabě obohacený uran ve formě oxidu uraničitého. Palivové tyče jsou vloženy v kanálech, kudy proudí chladivo – obyčejná voda. V tlakových kanálech přímo vzniká pára, která po oddělení vlhkosti pohání turbínu. Elektrárna je tedy jednookruhová. Moderátorem je grafit, který obklopuje kanály.
Vysokoteplotní reaktor HTGR (High Temperature Gas Cooled Reactor) patří k velmi perspektivním typům. Má výborné bezpečnostní parametry a poskytuje velmi vysokou teplotu na výstupu. Má proto velmi vysokou účinnost výroby elektrické energie – až 40 %. Teplo se může využívat nejen pro výrobu elektřiny, ale i přímo v různých průmyslových procesech například metalurgických nebo při zplyňování uhlí. Vysokoteplotní reaktory jsou zatím vyvinuty pouze experimentálně v Německu, USA a Velké Británii. Palivem je vysoce obohacený uran ve formě malých kuliček oxidu uraničitého (0,5 mm v průměru). Kuličky povlékané třemi vrstvami karbidu křemíku a uhlíku jsou rozptýlené v koulích z grafitu, velkých asi jako tenisový míček. Grafit slouží jako pevná, tepelně odolná schránka uranu i vznikajících radioaktivních zbytků, jednak jako moderátor. Palivové koule se volně sypou do aktivní zóny, na dně jsou postupně odebírány. V koncepci USA se používají místo koulí šestiúhelníkové bloky, které se skládají na sebe.
Chladivem je helium proháněné skrze aktivní zónu. Helium je k jaderným i chemickým procesům netečné a zároveň dobře přenáší teplo. V parogenerátoru předá teplo chladicí vodě sekundárního okruhu, vzniklá pára pohání turbínu. Horké helium může být vedeno přímo do průmyslových a chemických procesů. Vysoká teplota v reaktoru neznamená, že jde o reaktor méně bezpečný, spíše naopak. Při vážné nehodě na okruhu chlazení se vysokoteplotní reaktor po dobu několika hodin díky velké tepelné setrvačnosti grafitu a přirozené cirkulaci helia nepřehřívá a nevzniká nebezpečný přetlak.
Reaktor je v elektrárně zdrojem tepla. Ostatní součásti jaderné elektrárny jsou v podstatě stejné, jako v tepelné elektrárně na uhlí, ropu nebo biomasu – turbína, generátor, kondenzátor, chladicí okruh turbíny a další pomocné provozy. Navíc obsahuje jaderná elektrárna hospodářství s jaderným palivem – sklad čerstvého paliva a sklad použitého paliva.
Palivo
Efektivnost jednotlivých zdrojů energie můžeme porovnat i podle jejich výhřevnosti, která udává, kolik tepla na jednotku paliva získáme jeho dokonalým spálením (včetně ochlazení spalin na původní teplotu paliva). Příklady některých paliv jsou uvedeny v tabulce:
Pelety – malé válečky z UO2 jsou uloženy v palivových proutcích, které jsou sdruženy do palivových souborů (kazet). V aktivní zóně Temelína je například asi 19,2 milionů pelet, z nichž každá váži jen 4,8 gramu, ale nahradí 880 kg černého uhlí. Energie se z pelety získává v průběhu 4 let. Elektrárna Temelín tak ročně ušetří přibližně 15 milonů tun hnědého uhlí. Toto množství by se vešlo na 300 tisíc nákladních vagónů.
Kde se bere čerstvé palivo
Přírodní uran existoval již při vzniku Země. Na počátku, zhruba před 4,5 miliardou let, měl vysoký obsah izotopu 235U – byl tedy „vysoce obohacený“. Během času se nestabilní izotopy podle zákona radioaktivní přeměny rozpadají (přeměňují) a izotop 235U, který má ve srovnání s izotopem 238U poločas rozpadu přibližně sedmkrát kratší, se stal vzácnějším. Dnes obsahuje přírodní uran izotopu 235U pouze 0,7 %. Pro energetické využití se ve většině světových jaderných reaktorů obvykle používá uran obsahující okolo 3 až 4 % izotopu 235U. Jak to ale udělat, když přírodní uran obsahuje 99,3 % izotopu 238U a z hlediska chemického chování jsou oba izotopy prakticky totožné? Existují technologické postupy obohacování uranu založené na rozdílných fyzikálních vlastnostech izotopů.
Nejpoužívanější metody obohacování jsou difúze a odstředivková metoda, popř. kombinace těchto metod. Obě využívají nepatrný rozdíl v hmotnostech obou sledovaných izotopů uranu. Obohacovací proces je energeticky i časově velice náročný a vyžaduje vyspělou technologii. Největší obohacovací závody využívající plynné difúze jsou ve Francii a v USA, centrifugy se využívají v Rusku, Číně, Velké Británii, Nizozemí, Německu. Menší obohacovací závody jsou i v Jižní Africe, Pakistánu a v Japonsku.
Uran je nejprve přeměněn na plynný hexafluorid UF6, který se pod tlakem protlačuje keramickými porézními přepážkami v mnohastupňových difúzních kaskádách. Molekuly hexafluoridu s izotopem 235U jsou lehčí a tedy oproti molekulám s izotopem 238U nepatrně „hbitější“, takže procházejí o něco málo rychleji. Aby ve výsledném produktu byl více zastoupen izotop 235U, je třeba proces tisíckrát opakovat. Proces probíhá za vysokých teplot, kompresory protlačující plyn membránami spotřebují mnoho energie.
Pro druhou metodu se uran rovněž převádí na plynný UF6. V odstředivkách (centrifugách) při vysokých otáčkách se pak molekuly s těžším izotopem hromadí na okrajích a ve středu centrifug zůstávají převážně molekuly s izotopem 235U. Tento systém pracuje s 50krát menší spotřebou energie než difúzní systémy a jeho účinnost je závislá především na rychlosti otáčení centrifugy. Pro potřebné obohacení je nezbytné použití kaskád několika desítek tisíc kusů odstředivek.
Modely plynných odstředivek pro obohacování uranu
Radioaktivní odpady
Žádná lidská činnost se neobejde bez odpadů. Ani sama příroda není vždy bezodpadová. Ze současné lidské průmyslové nebo chemické výroby mohou vzniknout i odpady rizikové a nebezpečné. Za velmi nebezpečné jsou pokládány radioaktivní odpady. Na rozdíl od jiných průmyslových nebo chemických odpadů, které jsou jedovaté či jinak nebezpečné na věky, radioaktivní odpady svou nebezpečnost postupně ztrácejí, neboť radionuklidy v nich obsažené se s charakteristickým poločasem rozpadu přeměňují na neaktivní prvky.
Použité palivo z jaderných reaktorů tvoří méně než 1 % objemu všech radioaktivních odpadů a obsahuje přes 90 % veškeré radioaktivity. Nízko a středněaktivní odpady naopak představují 90 % objemu všech radioaktivních odpadů, ale pouze 0,1 % jejich radioaktivity.
Radioaktivní odpady v jaderné energetice vznikají v podstatě v průběhu celého palivového cyklu od vytěžení uranové rudy až po likvidaci elektrárny na konci doby její životnosti.
V jaderném reaktoru vzniká při štěpné reakci velké množství nejrůznějších radionuklidů. Štěpné produkty zůstávají uzavřeny v palivových článcích. Použité palivo představuje vysoce aktivní odpad. Je možno ho uložit, nebo přepracovat na nové palivo. Při provozu elektrárny vznikají i nízko a středně aktivní odpady. Po ukončení provozu jaderné elektrárny dojde k její likvidaci a kontaminované a aktivované části stavby se rovněž zpracují a uloží jako radioaktivní odpad.
Principem zneškodnění radioaktivních odpadů je jejich oddělení od biosféry takovým způsobem, aby po celou dobu jejich existence nemohlo dojít k ohrožení člověka a životního prostředí. Bezpečnost je zajišťována řadou technických opatření: úpravou odpadů, snižováním jejich objemu, jejich převáděním do stabilních a nerozpustných forem, budováním izolačních a stabilizačních vrstev, vhodným umístěním úložiště atd.
Zneškodňování radioaktivních odpadů
Při provozu jaderných elektráren vzniká celá škála radioaktivních odpadů. Vedle vysokoaktivního vyhořelého paliva jsou to také nízko a středně aktivní plynné, kapalné a pevné radioaktivní odpady. Většinou to jsou aktivované korozní produkty nebo radionuklidy vzniklé aktivací látek obsažených v primárním okruhu. Vznikají a shromažďují se hlavně v chladicím systému reaktoru a v menší míře v bazénech na skladování vyhořelého paliva. Zachytíme je v různých čistících a filtračních stanicích na elektrárně, pocházejí z prádelen a hygienických smyček, případně z laboratoří.
Při zpracování odpadů se řídíme třemi hlavními zásadami: snížit množství odpadů, odstranit radionuklidy a změnit složení odpadů.
Aby se snížilo množství odpadů určené ke zpracování a skladování a aby se minimalizovaly náklady s tím spojené, klade se největší důraz na snížení jejich objemu. To je zvlášť důležité u nízkoaktivních odpadů, které mají velký objem, ale nízkou aktivitu. V závislosti na druhu odpadů se ke snížení objemu používá odpařování, lisování, spalování apod.
Druhou hlavní zásadou při zneškodňování odpadů je odstranit z nich radionuklidy. To se děje například filtrací nebo zadržením odpadů po dobu, než se přítomné radionuklidy samovolně rozpadnou.
Pro bezpečné uložení odpadů a jejich izolování od okolí je důležité, aby měly formu, která umožní jejich uzavření do kontejnerů a další praktickou manipulaci s nimi.
Reaktory chlazené a moderované vodou produkují více kapalných odpadů než reaktory chlazené plynem. Kapalné radioaktivní odpady vznikají při čištění primárního chladiva, bazénů pro skladování vyhořelého paliva, drenážních vod, oplachových vod, při dekontaminačních pracích a při údržbě. Pro zpracování kapalných radioaktivních odpadů se používají čtyři hlavní technologické postupy:
- Odpařování
- Chemické srážení a flokulace
- Oddělení pevných částeček
- Iontová výměna
Ze všech uvedených metod se největšího snížení objemu a nejúčinnější dekontaminace dosahuje metodou odpařování. Po odpaření vody zůstávají pevné zbytky ve formě solí, které obsahují většinu radionuklidů. Metoda odpařování je tak vysoce účinná, že čistý kondenzát se může bez dalšího zpracování vypouštět do povrchových vodotečí. Kromě prostého odpařování se používají také chemické metody, kdy se do kapalných odpadů přidávají srážecí činidla, nejčastěji hliníkaté a železité soli, jejichž pomocí se radionuklidy vysrážejí a usadí na dně ve formě nerozpustných solí (precipitace), nebo se přidávají vločkotvorné chemikálie, které vážou radionuklidy ve formě vloček (flokulace). Mokré pevné odpady, které zůstanou po zpracování kapalných odpadů je ještě nutno přeměnit do pevných produktů, do chemicky a fyzikálně stabilní formy.
Používají se nejčastěji 3 metody:
- cementace
- bitumenace
- polymerace
Zalévání radioaktivních odpadů do cementu se používá v celém světě již mnoho let. Je levné, nepotřebuje nijak složité zařízení, výsledný produkt je stabilní, pojme do sebe relativně hodně odpadu a má i vysokou schopnost samostínění.
Na rozdíl od cementace prováděné za studena je bitumenizace horký proces, který umožňuje, aby byl odpad zbaven další vody. Díky tomu se velmi snižuje objem odpadů i náklady
Některé kapalné odpady se ředí čistou vodou a řízeně vypouštějí do povrchových vod. Koncentrace radionuklidů ve výpustích jaderných elektráren je 100 až 150krát nižší než koncentrace přírodních radionuklidů v povrchových vodách a běžných tekutinách. Síť monitorovacích stanic a pravidelné měření vzorků zajišťuje neustálou kontrolu.
Pevné odpady
Patří mezi ně různé kontaminované látky a předměty z provozních, revizních, ale nejčastěji údržbových a opravárenských činností.
Obvykle se člení do 4 kategorií:
- spalitelné
- nespalitelné
- lisovatelné
- nelisovatelné
Hlavním cílem zpracování pevných radioaktivních odpadů je snížení jejich objemu. Protože tyto odpady představují široké spektrum materiálů a forem, nestačí obvykle použít jedinou techniku k jejich zpracování a je třeba kombinovat různé procesy. Nejpoužívanější technikou je nízkotlaké lisování. Lisováním se sice snižuje objem odpadů, ale nemění se jejich vlastnosti z hlediska dlouhodobé manipulace a konečného ukládání. Zkušenosti ukazují, že 50–80 % pevných radioaktivních odpadů lze považovat za spalitelné. Oproti lisování má spalování tu výhodu, že se kromě významného snížení objemu získá homogenní konečný produkt ve formě popela, který může být bez dalšího zpracování uložen do kontejnerů určených ke skladování a konečnému uložení.
Použité jaderné palivo
Speciální kapitolou mezi radioaktivními odpady je použité palivo z jaderných elektráren. V palivu při štěpné reakci vzniká řada prvků, dá se říci, že skoro celá Mendělejevova tabulka. Někdy se o něm mluví jako o odpadu, ale již dnes je jasné, že tento odpad se brzy může stát cenným zdrojem surovin nebo palivem pro jiný typ elektrárny.
Jeden reaktor s výkonem kolem 1 000 MW produkuje ročně kolem 30–40 tun vyhořelého paliva. Protože palivo má vysokou hustotu, představuje to objem jen asi 1,5 m3. Palivo vyňaté z reaktoru obsahuje stále ještě 95 % nespotřebovaného uranu. Ostatní štěpné produkty, které dnes považujeme za odpad, tedy představují jen asi 1 200 kg. Hlavní podíl radioaktivity nesou mezi těmito štěpnými produkty cesium 137Cs a stroncium 90Sr, oba s poločasem rozpadu kolem 30 let. V důsledku radioaktivního rozpadu použité palivo postupně ztrácí radioaktivitu a četné radioizotopy přecházejí na neaktivní prvky, jejichž oddělení z odpadu by v budoucnu mohlo být zajímavé. Je to např. platina, ruthenium, rhodium, paladium, stříbro, prvky vzácných zemin atd.
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 3 až 4 roky. 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.
Hlubinné úložiště
Uměle vyhloubené, nebo pečlivě upravené stávající podzemní prostory se označují jako hlubinná úložiště. Jsou umístěna do hlubokých stabilních geologických vrstev zcela mimo dosah biosféry. Jednoznačná přednost před úpravou starších důlních děl se dává zbudování úložiště nového, speciálního, neboť doly bývají v místech geologických poruch, puklin, žil a tudíž nejsou dostatečně těsné proti spodní vodě a jiným vlivům. Úložiště musí být zbudováno v neporušeném nebo minimálně porušeném geologickém prostředí, v oblasti, kde nehrozí vulkanická činnost, zemětřesení, zaplavení mořem nebo zalednění.
Termínem dlouhodobě je označováno období srovnatelné s geologickými časovými měřítky, tedy časové úseky delší než 10 000 let, ale spíše 40 000–100 000 let. Těžko bychom mohli předpokládat, že by se informace o použití nějaké lokality uchovala po tak dlouhou dobu. Proto všechny práce směřují k tomu, aby byl znemožněn jakýkoliv kontakt budoucích pokolení s uloženým materiálem, a to ať vědomý nebo náhodný. Životní prostředí chrání od jaderných odpadů několikanásobné bariéry.
První barierou je znehybnění a zadržení radionuklidů v odolné a nerozpustné chemické formě, v tzv. matrici. Ke znehybnění vysoce aktivních odpadů se obvykle používá borosilikátové sklo nebo keramické materiály, u středně aktivních odpadů hlavně cement nebo bitumen (asfaltová živice). Druhou barieru tvoří obal odpadů. Obal izoluje zpevněné odpady po určitou dobu. Obaly současně slouží jako stínění před zářením a usnadňují manipulaci při dopravě a ukládání. Obaly pro vysoce aktivní odpady jsou vyrobeny z kovu. Bývá to ocelový, silnostěnný nerezavějící kontejner nebo měděná nádoba, uvažuje se i o nádobách z titanu.
Další technickou bariéru mohou tvořit betonové pakety nebo přebaly, do nichž se ukládají plechové sudy nebo betonové kontejnery. Stavební konstrukce úložných prostorů na povrchu, těsně pod povrchem nebo v geologických formacích slouží jako další technická bariéra. Jedná se například o speciální betony, nepropustné nátěry, asfaltové nebo jílové izolace a drenážní systémy, jejichž účelem je hlavně zabránit vniknutí vody do úložiště a tím eventuálnímu vyluhování radionuklidů. Přírodní bariérou je vlastní geologická formace, v níž je úložiště vybudováno. Čím lepší jsou vlastnosti této bariéry (tj. pevnost, nerozpustnost, tepelná stabilita), tím jednodušší a lacinější mohou být technické bariery. Geologická formace musí být seizmicky stabilní, většinou se vybírá hornina, která se prokazatelně nezměnila za posledních i několik milionů let a je tedy u ní předpoklad, že zůstane stabilní i dále. Jako vhodné geologická formace se nejčastěji volí tyto základní horninové typy: solná ložiska, jílovité sedimenty, tufy, granity (žuly) a rulové horniny.
