360 likes | 609 Views
Fyzikální aspekty zátěží životního prostředí. 3 Jaderná energetika. Štěpné jaderné reakce. Jaderná reakce, při níž dochází k rozštěpení atomového jádra Štěpení uranu K štěpení uranu 235 U dochází při zachycení pomalého neutronu jádrem uranu.
E N D
Fyzikální aspekty zátěží životního prostředí 3 Jaderná energetika
Štěpné jaderné reakce Jaderná reakce, při níž dochází k rozštěpení atomového jádra Štěpení uranu • K štěpení uranu 235U dochází při zachycení pomalého neutronu jádrem uranu. • Při této jaderné reakci vznikají dva fragmenty a dva až tři neutrony. • Kromě neutronů vznikají i fotony gama záření.
Podmínky štěpení uranu • Pro štěpení jádra musí být dodána aktivační energie. • Při štěpení uranu tuto aktivační energii získá jádro atomu uranu zachycením pomalého neutronu, tj. neutronu s kinetickou energií nižší než 0,3 eV. • Pro štěpnou reakci platí zákon zachování energie. Protože se při štěpné reakci sníží celková klidová energie, musí se vazebná energie uvolnit ve formě kinetické energie produktů reakce. • Energie reakce (uvolněná kinetická energie) v případě štěpení uranu dosahuje průměrně hodnoty 200 MeV.
Jednotka energie v jaderné fyzice MeV – megaelektronvolt, • 1 eV (elektronvolt) – energie, kterou získá elektron, jehož náboj je roven elementarnímu elektrický náboji e, urychlením v elektrickém poli o napětí 1 V, • 1 eV = 1,6 . 10 -19 J
Řetězová rekce • Řetězec navazujících jaderných reakcí vzniká, pokud se produkty jaderné reakce účastní další jaderné reakce s jinými jádry, s tzv. „jaderným palivem“. Je-li jaderného paliva dostatečné (nadkritické) množství, probíhá reakce samovolně do okamžiku, kdy množství jaderného paliva klesne pod kritickou hodnotu, dojde k vyhoření paliva. • Slučování jader – termojaderná syntéza ve hvězdách včetně Slunce je příkladem slučovací řetězové reakce. • Štěpení uranu může probíhat jako řetězová reakce, pokud rychlé neutrony vzniklé při reakci jsou zpomaleny, tak aby mohly štěpit další dostupná jádra uranu, hovoříme pak o štěpné řetězové reakci.
Moderace neutronů • Podmínkou vzniku štěpné řetězové reakce uranu je zpomalení - tzv. moderace neutronů (snížení jejich kinetické energie). • Zpomalení neutronů se dosahuje jejich průchodem vhodnou látkou, tzv. moderátorem. • Jako moderátor neutronů se používá grafit, (lehká) voda H2O nebo těžká vodaD2O.
Řízené štěpení uranu • V případě štěpení uranu vznikají dva až tři rychlé neutrony. Pokud jsou moderovány, řetězová reakce lavinovitě narůstá. • Počet uvolněných neutronů je nutné regulovat pohlcením ve vhodné látce absorbátorů neutronů. • Neutrony jsou pohlcovány jádry bóru nebo kadmia, které se používá ve formě tyčí a regulace se provádí změnou počtu a hloubkou zasunutí regulačních tyčí do jaderného reaktoru.
Jaderné elektrárny Jaderná elektrárna • elektrárna, ve které se jako zdroj tepelné energie využívá jaderný reaktor, • teplo vzniklé při štěpení jader v reaktoru je využíváno k výrobě páry pro turbogenerátory. Dukovany Temelín
Schéma jaderné elektrárny V jaderné elektrárně se využívá teplo jaderného reaktoru (1) k výrobě páry ve výměníku, tzv. parogenerátoru (2), ta pohání parní turbínu (4), která otáčí generátorem (5) elektrické energie. Pára se pak ochlazuje v kondenzátoru (6) pomocí chladícího okruhu kondenzátoru (7). 1. Jaderný reaktor 2. Parogenerátor 3. Čerpadlo 4. Parní turbína 5. Generátor 6. Kondenzátor 7. Chladící okruh
Jaderný reaktor • Jaderný reaktor musí být chlazen, • prochází jím chladivo (nejčastěji voda) primárního okruhu, • získané teplo se ve výměníku tepla využije k výrobě páry proparní turbogenerátor,
Možné zdroje ohrožení radioaktivními škodlivinami • Vlastní provoz jaderné elektrárny představuje ve srovnání s jinými technologiemi srovnatelné riziko. Nezbytností je oddělení primárního okruhu, který může obsahovat ve vodě nečistoty s indukovanou radioaktivitou. Nutnost stálého monitorování úrovně radioaktivity. • Vyhořelé palivo i když ho není velké množství představuje významný problém, protože obsahuje i vysoce aktivní materiály, navíc i poškozené palivové články, kdy existuje možnost úniku radioaktivních látek).
Možné zdroje ohrožení při provozu jaderné elektrárny Příprava a doprava jaderného paliva • Dobývání uranových rud a jejich zpracování představuje významný zdroj radioaktivního prachu zejména při povrchovém dobývání a úpravě vytěžené suroviny, eventuálně při deponování odvalů. Existuje nebezpečí emise radioaktivního izotopu radonu. • Obohacovaní uranu, příprava paliva probíhá v uzavřených prostorách a riziko úniku radioaktivních látek je malé. • Přeprava paliva nepředstavuje významné riziko (speciální přepravní kontejnery vydrží i velké nárazy).
Možné zdroje ohrožení při provozu jaderné elektrárny Emise radioaktivních látek • Emise radioaktivních látek mohou být při provozu jaderné elektrárny problémem. • Emise jsou však menší než v případě elektráren tepelných, které rovněž produkují určité množství radioaktivního spadu. • Při posuzování emisí radioaktivních látek je třeba vždy zvážit nakolik tyto hodnoty přesahují běžné radioaktivní pozadí (radioaktivní látky se vyskytují běžně v přírodě).
Možné zdroje ohrožení při provozu jaderné elektrárny Nebezpečí havárie jaderné elektrárny • Při havárii jaderné elektrárny se může uvolnit do okolí zvýšené množství radioaktivních látek. • Riziko je dáno především konstrukcí a dodržením pravidel provozu jaderné elektrárny. • Při dodržení uvedených postupů se pak jedná především o statistický problém, protože každé technické zařízení podléhá poruchám.
Likvidace jaderné elektrárny. • Jaderné elektrárny jsou projektovány na životnost, cca 30 let. • Nelze je jednoduše rozebrat, protože řada konstrukčních prvků je radioaktivní. • Existují dvě možnosti, likvidace • elektrárnu rozebrat a s radioaktivními komponentami naložit stejně jako s vyhořelým palivem • celou elektrárnu zakonzervovat a monitorovat, což přináší další náklady na monitoring a údržbu.
Problém jaderného odpadu • Vyhořelé palivo z jaderné elektrárny tvoří méně než 1 % objemu celkového jaderného odpadu, avšak obsahuje přes 90 % veškeré radioaktivity. • Obě české jaderné elektrárny během celé doby své životnosti vyprodukují celkem cca 3 000 tun vyhořelého jaderného paliva. • Vyhořelé jaderné palivo označované za odpad, se může stát cenným zdrojem surovin nebo jaderným palivem pro nové typy jaderných reaktorů. • V současné době se proto vyhořelé palivo, zatím bezpečně ukládá na místo, kde přirozenými radioaktivními přeměnami přejde do bezpečné formy, tato přeměna však probíhá relativně velmi dlouho.
Způsoby uložení jaderného odpadu • Jaderný odpad se dočasně ukládá na 40-50 let do meziskladu, do vodních bazénů, nebo se využívá tzv. suché skladování v ocelových popř. v betonových kontejnerech. • Nízkoaktivní a středněaktivní radioaktivní odpad z JE Dukovany a JE Temelín jsou předávány k uložení ve zpevněné formě. • Technologie bitumenace, použitá na úpravu kapalných radioaktivních odpadů, zaručuje dlouhodobou stabilní ochranu proti účinkům radiace. • Odpady jsou po přípravě skladovány a před konečnou úpravou se lisují do sudů o objemu 200 litrů. Výlisky jsou umístěny do větších sudů (tzv. overpak o objemu 300 až 400 litrů) a takto ukládány do úložiště radioaktivních odpadů. Výsledná redukce objemu je šestinásobná.
Uložení vysokoaktivních odpadů Vysokoaktivní odpady • představují nejzávažnější problém, • skladují dočasně se ve speciálních kontejnerech uložených v meziskladech, • definitivně se ukládají do hlubinného úložiště, • ročně se do meziskladu ukládají 4 kontejnery s vysokoaktivními odpady.
Hlubinné úložiště • musí představovat bariéry bránici úniku radioaktivních látek do okolí, • inženýrské bariéry jsou tvořeny vlastní konstrukcí úložiště, způsobem ukládání odpadů do úložiště a dále např. obalem nebo matricí, do nichž jsou odpady vloženy a ukládány.
Umístění úložiště • Při výběru lokality jsou přísně posuzována zákonem stanovaná kritéria pro umístění těchto zařízení. • Přírodní bariérou při ukládání radioaktivního odpadu jsou geologické vlastnosti prostředí, ve kterém je úložiště radioaktivního odpadu situováno. • Úložiště jaderného odpadu nemůže být umístěno v zátopové nebo krasové oblasti, v oblastech, kde by jeho přítomnost mohla mít znehodnocující vliv na zásoby podzemních či minerálních vod, v seizmicky aktivních anebo zátopových oblastech apod. • Příznivými charakteristikami pro umístění jsou nepropustnost podloží, dostatečná vzdálenost od vodních toků nebo ploch a dostatečná vzdálenost od míst trvalého osídlení.
Hlubinné úložiště v ČR • V současné době probíhají v ČR práce na projektu hlubinného úložiště vyhořelého paliva. Práce byly zahájeny již v roce 1990, úložiště by mělo být vybudováno v období let 2030-2040. • Na základě vyhodnocení archivních a geologických informací podle bezpečnostních a legislativních kritérií bylo počátkem roku 2003 doporučeno 6 lokalit. • Na podzim 2003 na nich proběhla letecká geologicko-fyzikální měření s cílem získat podrobnější údaje pro budoucí zúžení území lokalit na rozlohu cca 10 km2.
Problémy hlubinných úložišť • celé úložiště musí být monitorováno po celou dobu provozu, tj. po dobu, než neklesne aktivita materiálů pod bezpečnou úroveň, • to představuje ekonomickou zátěž, • v současné době je stále levnější těžba nového uranu, než přepracovávání použitého jaderného paliva z jaderných elektráren.
Jiné možnosti likvidace jaderného odpadu • Další možností likvidace vyhořelého palivem je jeho přepracování a znovupoužití v reaktorech, což je zatím ekonomicky nevýhodné. • Skutečnou likvidaci vyhořelého palivem lze provést pomocí urychlovače, který vyvolá cílené jaderné reakce, které vytvoří z radionuklidů nuklidy stabilní.
Chemické přepracovávání vyhořelého paliva Vyhořelé palivové články z dnešních jaderných elektráren • obsahují přes 95% nevyhořelého uranu (z toho přibližně 1 % 235U) a dále pak další štěpitelné prvky jako například plutonium, • pouze 3% vyhořelého paliva připadá na štěpné fragmenty a transurany - tedy na prvky, které představují skutečný odpad.
Jak přepracovat vyhořelé palivo? • Již od počátku jaderného výzkumu se vědci zabývali myšlenkou na chemické přepracování vyhořelého paliva. • Zhruba ve čtyřicátých letech minulého století se pak tato metodika začala ve vyspělých zemích i realizovat. • Z palivových kazet se odstraní ochranný zirkoniový obal a palivové články se rozpustí v kyselině dusičné a z takto vzniklého roztoku se chemicky oddělují jednotlivé prvky.
Složení vyhořelého paliva • Plutonium - lze použít jako palivo. • Uran - se uskladní nebo používá pro výrobu nového paliva. • Zbytky kovového obalu palivových článků se zpracují jako středněaktivní odpad. • Štěpné produkty se oddělují a vitrifikují (zatavují do skla). Z jedné tuny vyhořelého paliva tak vznikne pouze 115 litrůvysokoaktivního jaderného odpadu převedeného do formy skla. • Takovéto přepracovávací závody existují například ve francouzském Marcoule, či anglickém Sellafieldu. Jejich nevýhodou je poměrně malá kapacita a ne úplně bezpečný provoz.
Jaderný odpad Hlavní část radioaktivity připadá na • cesium 137Cs (v jaderném odpadu z 1000 MW reaktoru je to zhruba 32 kg), • stroncium 90Sr (zhruba 13 kg), • oba izotopy mají poločas rozpadu okolo třiceti let. V důsledku radioaktivního rozpadu vyhořelé palivo postupně ztrácí radioaktivitu a četné radioizotopy přecházejí na neaktivní prvky.
Další možnosti přepracování • Nově vyvíjené metody (tzv. technologie ADTT) umožňují uvolnit z paliva další energii i během jeho přepracovávání , • jejich realizace je bezpečnější, než u chemického přepracování. • Proto se v současné době jeví výhodné použité palivo prozatím skladovat v meziskladech a počkat na to, jak se vyvine technologie ADTT.
Technologie ADTT (urychlovačem urychlená transmutační technologie) • Princip ADTT byl navržen již v padesátých letech 20. století a dnes se jím zabývají především vědci v americké laboratoři Los Alamos, evropském CERNu a ruském Dubně. • Technologie ADTT představuje novou moderní alternativu chemickému přepracovávání paliva.
Vlastnosti a princip ADTT • Je vyvíjen nový typ jaderného reaktoru kombinovaného s výkonným urychlovačem. • Tento reaktor by umožnil využívat i štěpná jaderná paliva, která nejsou samostatně schopna udržet řetězovou reakci - např. vyhořelé palivo z dnešních jaderných elektráren, přírodní thorium apod. (z 12 gramů thoria lze uvolnit tolik energie jako spálením 30 tun uhlí.) • Reaktor s uvedenou aktivní zónou je podkritický, nedostatek neutronů musí zajistit vedlejší zdroj, kterým je výkonný urychlovač protonů.
ADTT – protonový urychlovač • Každý proton dokáže vyprodukovat pro další reakci zhruba 15 neutronů, které přes základní moderátor (vrstvu těžké vody) procházejí do vlastní aktivní zóny reaktoru. • Zde by ve vhodném prostředí byl rozpuštěn štěpný materiál a též odpadní isotopy, které chceme transmutovat. Ve vnější části reaktoru by docházelo k transmutaci thoria 232. Zásoby thoria v zemské kůře jsou asi třikrát větší než uranu.
ADTT – likvidace paliva – výroba energie • Vznikající uran 233 by se vedl do střední části, kdy by absorpcí neutronů docházelo k jeho štěpení a uvolnění vazebné jaderné energie. • Protože reaktor pracuje trvale v podkritickém režimu, je provozně bezpečný, nemůže dojít k nekontrolované řetězové štěpné reakci. • Rychlost reakce je určena tokem protonů z urychlovače a při jeho vypnutí se reakce zastaví. • Jaderné reakce probíhající v ADTT-reaktoru, by fungovaly jednak jako zdroj jaderné energie, jednak jako účinná „spalovna“ radioaktivních odpadů, kde by se dlouhožijící radionuklidy postupně transmutovaly na krátkožijící nebo stabilní.
ADTT – kdyby se povedl • Tento reaktor by byl schopen přeměnit 99 % svých zplodin, a tak by byl k dispozici téměř neomezený a bezodpadový zdroj energie, protože zásoby uranu by se staly (alespoň pro nejbližší generace) prakticky nevyčerpatelné.