ENERGETYKA JĄDROWA

ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER

Odpady i ich utylizacja

Energetyka jądrowa • Energetyka jądrowa jest obecnie najczystszą technologią produkcji energii na dużą skalę. • Normalnie pracująca elektrownia jądrowa nie produkuje popiołów ani pyłów i nie wydała gazów spalinowych. • Wprowadza do środowiska mniejsze ilości substancji radioaktywnych niż elektrownia węglowa i to głównie w postaci nie reagujących chemicznie gazów szlachetnych 85Kr i 133Xe. • Oprócz energii elektrycznej produkuje, jak każda elektrownia, ciepło odpadowe. • Jest to czysta energetyka, prawie zupełnie nieszkodliwa dla środowiska. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Energetyka jądrowa • W elektrowni jądrowej wymienia się co roku prawie trzecią część elementów paliwowych na nowe. • Elektrownia jądrowa o mocy 1 GW(e) • zużywa dziennie około 80 kg uranu, a • produkuje rocznie około 30 t wysoko radioaktywnych odpadów w postaci zużytego paliwa. • Zyżyte paliwo zawiera • groźne dla życia produkty rozpadu promieniotwórczego, • możliwe do odzyskania materiały rozszczepialne. • Usuwanie i obróbka zużytych elementów paliwowych jest istotnym problemem • ochrony środowiska naturalnego, • opłacalności energetyki jądrowej. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Energetyka jądrowa • Sprawność przetwarzania energii cieplnej w elektryczną • zależy od temperatury i ciśnienia pary poruszającej turbiny • w elektrowniach węglowych - do 39%, • w elektrowniach jądrowych - około 30%. • Energetyka jądrowa wytwarza więcej ciepła odpadowego niż energetyka konwencjonalna. • do jej odprowadzenia elektrownia jądrowa zużywa więcej wody chłodzącej, • różnica nie przekracza 50%. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Energetyka jądrowa • Elektrownia jądrowa o mocy 1000 MW(e) wprowadza rocznie do otoczenia maksymalnie • 5,91014Bq promieniotwórczych gazów szlachetnych (85Kr i 33Xe) • 5,6109 Bq promieniotwórczego jodu. • Objętość powietrza potrzebna do rozcieńczenia do poziomu dopuszczalnego wynosi rocznie: • 5,51010 m3 dla promieniotwórczych 85Kr, 33Xe i J (elektrownia jądrowa) • 4,31015 m3 dla dwutlenku siarki (elektrownia węglowa) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Odpady promieniotwórcze • Oprócz promieniotwórczych produktów rozszczepienia w paliwie reaktora, neutrony wytwarzają pewne promieniotwórcze jądra atomowe w wodzie pierwotnego obiegu chłodzącego i w jego ściankach. • izotop 3H powstaje w reakcji neutronów z jądrami 10B, • izotop 54Mn powstaje w ściankach obiegu pierwotnego. • Woda obiegu pierwotnego jest stale oczyszczana, • po przefiltrowaniu usuwającym zawiesiny przechodzi przez wymienniki jonowe, • urządzenia z przeciwprądem pary usuwają rozpuszczone gazy. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Odpady promieniotwórcze PO 1 ROKU PRACY REAKTORA PWR O MOCY ELEKTRYCZNEJ 1 GWe Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Ciepło odpadowe • Chłodzenie jest ważnym problemem. • Reaktory pracują w pobliżu stanu krytycznego i dlatego konieczne jest stosowanie wymuszonych obiegów pierwotnego chłodzenia celem zabezpieczenia odpowiedniej wymiany ciepła. • Chłodzenie, niezależnie od liczby zabezpieczeń, jest potencjalnym źródłem awarii; • większość dotychczasowych awarii była związana z układami wymuszonego chłodzenia • Ciepło odprowadzane przez materiał chłodzący, głównie przez wodę, jest jednym z podstawowych odpadów przemysłowych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Ciepło odpadowe • Ilość ciepła odpadowego zależy od sprawności elektrowni; im wyższa jest sprawność, tym mniej ciepła odchodzi do środowiska naturalnego. • Problem odprowadzają do środowiska ciepła niewykorzystanego w procesie technologicznym jest więc niezależny od typu siłowni. • Ilość ciepła, oddawana przez elektrownie jądrowe jest większa niż przez elektrownie konwencjonalne. • elektrownia jądrowa zużywa średnio 180 l/skWh, przy wzroście temperatury w kondensatorze o około 10 K, • elektrownia konwencjonalna zużywa (120-150) l/skWh, przy wzroście temperatury w kondensatorze o około 8 K. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Ciepło odpadowe • Woda do chłodzenia pobierana jest • z rzek • z jezior • przybrzeżnych wód morskich. • Odprowadzana o wyższej temperaturze • może wpływać na różne procesy życiowe, • może mieć szkodliwy wpływ na florę i faunę wodną • może być wykorzystywane np. do hodowli ryb ciepłolubnych i ostryg. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Ciepło odpadowe • Podgrzana woda odpadowa nie jest ściekiem przemysłowym czy komunalnym • Zmiana temperatury wody ma na pewno wpływ na środowisko wodne, ale niekoniecznie szkodliwe. • Istotne, aby woda odpadowa była tej samej, lub wyższej, klasy czystości, co woda pobierana. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Zużyte paliwo jądrowe • Zużyte paliwo jądrowe jest silnie promieniotwórcze - jego bezpieczne składowanie jest problemem trudnym do rozwiązania. • Światowa energetyka cywilna zużywa rocznie ponad 104 ton paliw jądrowych. • Do roku 2000 nagromadziło się łącznie około 2105 ton odpadów zawierających około 4103 ton jąder rozszczepialnych. • Ilość odpadów z przemysłu obronnego (głównie zubożony lub słabo „wypalony” uran) jest oceniana na około 5105 ton. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Zużyte paliwo jądrowe • W odpadach jest zmagazynowana olbrzymia ilość energii. • W 1 tonie aktynowców zawarta jest energia 2500 MW(e)/rok. • Rocznie w odpadach składuje się około 81020 J, czyli dwa razy więcej niż obecne roczne zużycie przez całą ludność Ziemi. • Zużyte paliwo z działających reaktorów energetycznych jest początkowo składowane na terenie elektrowni, a następnie gromadzone w tymczasowych składowiskach. • Są dwie możliwości składowania: • składowanie nieodwracalne • składowanie czasowe. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Energetyka jądrowa Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Zużyte paliwo jądrowe • Składowanie nieodwracalne - gromadzenie odpadów promieniotwórczych w miejscu, z którego nie mogą być wydobyte przed całkowitym rozpadem. • Położenie i konstrukcja składowiska powinny gwarantować retencję radioaktywnych substancji przez miliony lat, wystarczające na samoistny rozpad najbardziej długożyciowych izotopów promieniotwórczych. • Taki czas wyklucza rozwiązania inżynierskie i stwarza konieczność stosowania formacji geologicznych. • Wymaga to wydrążenia odpowiednich sztolni o głębokości co najmniej kilkuset metrów w strukturach geologicznych stabilnych sejsmicznie, nieprzepuszczalnych i odpornych na erozję, z przeznaczeniem na specjalne pojemniki z odpadami jądrowymi. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Przerób prętów paliwowych • Pręty paliwowe są najpierw rozdrabniane, a następnie rozpuszczane w kwasie azotowym. • Uran, pluton oraz produkty rozpadu rozpuszczają się prawie całkowicie. • Pozostające rozdrobnione koszulki prętów paliwowych po zabetonowaniu składa się w bezpiecznym miejscu. • W następstwie procesów chemicznych następuje rozdział uranu, plutonu i pozostałych produktów rozpadu. • Uran i pluton, po oczyszczeniu, sa wykorzystane do produkcji prętów paliwowych. • Odpady radioaktywne są pakowane i przygotowywane do składowania w mogilniku. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Zużyte paliwo jądrowe • Takie składowanie pozbawia przyszłe pokolenia możliwości wykorzystania olbrzymich zasobów energii (rzędu 22.103 GWh/tona) zawartej w aktynowcach zużytego paliwa i odpadach pochodzenia wojskowego. • Zawartość energii pozostawianej w zużywanym paliwie rocznie wynosi około 8.1020 J czyli około dwa razy więcej niż obecne roczne zużycie przez całą ludność Ziemi. • Energia zawarta w nagromadzonych dotąd odpadach wystarczyłaby na pokrycie całkowitego zapotrzebowania ludzkości przez kilkaset lat. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie prętów paliwowych Basen do przechowywania prętów paliwowych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie prętów paliwowych • Pręty paliwowe po wstępnym schłodzeniu w basenie w elektrowni jądrowej załadowane do pojemników transportowych przenosi się na składowiska pośrednie. • Pojemniki transportowe zapewniają całkowicie bezpieczne składowanie. • Po określonym czasie elementy paliwowe są: • albo transportowane do zakładów przeróbki • albo składane w mogilnikach bez żadnej obróbki i odzysku. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Przerób prętów paliwowych • W zakładzie przerobu paliwa jądrowego przeprowadza się rozdział poszczególnych składników wypalonych elementów paliwowych. • Oddzielone są odpady radioaktywne i odzyskuje paliwo jądrowe, uran i pluton. • Pręty paliwowe zawierają oprócz jąder 235U, które nie uległy rozszczepieniu, także pluton rozszczepialny 239Pu, • Ze względu na dużą aktywność proces przerobu jest w pełni zautomatyzowany. • Oddzielone są odpady radioaktywne i odzyskuje paliwo jądrowe, uran i pluton. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Przerób prętów paliwowych • Pręty paliwowe są najpierw rozdrabniane, a następnie rozpuszczane w kwasie azotowym. • Uran, pluton oraz produkty rozpadu rozpuszczają się prawie całkowicie. • Pozostające rozdrobnione koszulki prętów paliwowych po zabetonowaniu składa się w bezpiecznym miejscu. • W następstwie procesów chemicznych następuje rozdział uranu, plutonu i pozostałych produktów rozpadu. • Uran i pluton, po oczyszczeniu, sa wykorzystane do produkcji prętów paliwowych. • Odpady radioaktywne są pakowane i przygotowywane do składowania w mogilniku. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Transport materiałów promieniotwórczych • Materiały promieniotwórcze transportowane są samolotami, koleją, samochodami i statkami. • Większość transportowanych przesyłek zawiera bardzo małe ilości substancji promieniotwórczych. • Istnieją ścisłe przepisy wydane przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej (MAEA), dotyczące przygotowania i bezpiecznego transportowania materiałów promieniotwórczych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Transport materiałów promieniotwórczych • Typ opakowania do przewozu materiałów promieniotwórczych zależy od rodzaju materiału, jego objętości, ilości, postaci fizycznej i aktywności. • Różne typy opakowań są inaczej zbudowane i posiadają inne parametry wytrzymałościowe oraz materiałowe. • Niektóre typy opakowań zanim zostaną dopuszczone do stosowania, są poddawane bardzo surowym testom: • mechanicznym (ściskanie, upadek z wysokości), • termicznym (odporność na podwyższoną temperaturę), • Zanurzeniowym, • itp. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Typ A Transport materiałów promieniotwórczych • Opakowania typu B mają podwyższoną wytrzymałością mechaniczną i termiczną, muszą zapewnić szczelność i osłonność ładunku nawet w razie poważnych wypadków transportowych. • Opakowania typu A muszą zapewnić szczelność i osłonność ładunku w przypadku mniejszych wypadków transportowych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Transport materiałów promieniotwórczych • Opakowania przemysłowe (IP) służą do transportu materiałów o niskiej aktywności lub przedmiotów skażonych powierzchniowo. Ten typ opakowań poddawany jest niektórym testom wytrzymałościowym. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Transport materiałów promieniotwórczych • Opakowania tzw. wyłączone • używane są do transportu bardzo małych ilości materiałów promieniotwórczych, • radiofarmaceutyków • urządzeń zawierających źródła promieniotwórcze o bardzo małej aktywności (izotopowe czujki dymu, przyrządy pomiarowe). • Są to rozmaite pudełka kartonowe, pojemniki z metalu czy tworzyw sztucznych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych • Odpady radioaktywne w postaci stałej lub ciekłej należy podzielić na trzy grupy: • nisko aktywne • redukowane do możliwie najmniejszej objętości (stężanie, ściskanie, spalanie), • zacementowane w beczkach. • średnio aktywne • rozdrabniane • zacementowane w beczkach. • wysoko aktywne • głównie produkty rozpadu ciężkich jąder • są głównym źródłem (99%) promieniowania wszystkich odpadów promieniotwórczych, • składowanie wymaga szczególnej ostrożności. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych • Ostateczne składowanie jest przewidywane w różnym czasie, w zasadzie dopiero po roku 2010. • są opracowane różne sposoby zabezpieczenia wysokoaktywnych odpadów. • jednym z najlepszych jest zeszklenie - szkło jest materiałem bardzo odpornym na działania chemiczne. • Obecnie wydaje się, że umieszczenie zeszklonych odpadów w pojemnikach z nierdzewnej stali, otoczenie ich warstwą gliny i składowanie w głębokich, szczegółowo przebadanych formacjach geologicznych jest w pełni bezpiecznym rozwiązaniem składowania ostatecznego odpadów promieniotwórczych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych • Dla każdego składowiska trzeba określić system barier ochronnych. • Bariery ochronne sztuczne i naturalne są fizycznymi przeszkodami zabezpieczającymi przed uwalnianiem i rozprzestrzenianiem się substancji promieniotwórczych ze składowanych odpadów. • Wszystkie stosowane bariery dopełniają się wzajemnie i tworzą system multibarier dający pełne zabezpieczenie. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych • Bariera naturalna - związana ze strukturą geologiczną i warunkami hydrogeologicznymi terenu składowiska odpadów promieniotwórczych • ogranicza proces migracji, • rozprzestrzenianie się w glebie, • przenikanie do wód gruntowych i powierzchniowych substancji promieniotwórczych. Dlatego też przy wyborze lokalizacji składowiska uwzględnia się te czynniki geologiczne i hydrologiczne, które decydują o skuteczności bariery naturalnej. Szczególnie ważne jest położenie i poziom wód gruntowych, położenie struktur naruszonych i przepuszczalność sorpcyjna gleby. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych • Bariery sztuczne (inżynierskie) - wszystkie bariery wykonane przez człowieka. • Materiał wiążący: • przeciwdziała rozsypaniu, rozproszeniu, rozpyleniu i wymywaniu substancji promieniotwórczych. • izoluje odpady promieniotwórcze od wpływu czynników zewnętrznych, wytrzymujący działanie wody, temperatury, oraz zabezpiecza przed uszkodzeniami mechanicznymi. • Opakowanie: • dodatkowo zabezpiecza odpady przed uszkodzeniami mechanicznymi, działaniem czynników atmosferycznych • osłabia promieniowanie • ułatwia transportowane, magazynowane oraz składowane. • metalowe beczki lub pojemniki betonowe. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowowiska geologiczne • Analogami kompleksowymi obejmującymi kilka procesów i odnoszącymi się do całego składowiska są niektóre złoża uranu. • Najlepszymi analogami są • złoże Cigar Lake w Kanadzie • jedyne znane na świecie naturalne reaktory jądrowe w Gabonie. • Złoże Cigar Lake, • największe złoże uranu na świecie, • w północnej części prowincji Saskatchewan w piaskowcach na głębokości 430 metrów, • ruda ma od 20 do 100 metrów szerokości, 20 metrów grubości i 2 km długości, • Wiek rudy uranu, uraninitu, 1,3109 lat • Zawartość uranu w rudzie osiąga 55%. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowowiska geologiczne • Złoże Cigar Lake ma wiele elementów i cech analogicznych do głębokiego składowiska • Ruda uranu w złożu była trzykrotnie w swojej historii rozpuszczana. • Reakcje między wodami podziemnymi i rudą uranu zachodziły także w ciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat. • Na powierzchni ziemi nie ma najmniejszych śladów obecności uranu, • Nawet nieefektywne bariery (illit, piaskowiec) były na tyle skutecznie, że uran nie osiągnął biosfery w czasie co najmniej 104 lat. • warunki redukcyjne w złożu przeciwdziałały migracji uranu • uran nie utleniony jest trudno rozpuszczalny w wodzie. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowowiska geologiczne Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych • W wyeksploatowanych kopalniach np. soli. • Odpady słabo aktywne blisko powierzchni • poukładane beczki z odpadami • Odpady średnio aktywne na średnim poziomie • beczki wrzucane w procesie zautomatyzowanym • Odpady wysoko aktywne na najniższym poziomie • zabetonowane. • Mogilniki • głębokie odwierty • odpady zalane cementem. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych w Polsce • W Polsce jest jedna Centralna Składnica Odpadów Promieniotwórczych, CSOP -i Różan. • Miejscowość Różan leży nad Narwią • w odległości około 90 km od Warszawy • Składowisko założone roku 1961 w forcie wojskowym, • wybudowanym w latach 1905–1908 przez władze rosyjskie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych w Polsce • Składowisko przeznaczone do ostatecznego składowania odpadów promieniotwórczych • Składowisko przyjmuje odpady: • nisko aktywne stałe • moc dawki na powierzchni opakowania nie przekracza 2 mGy/h, • średnio aktywne • moc dawki od 2 mGy/h do 6 mGy/h, • odpady a-promieniotwórcze • moc dawki na powierzchni opakowania nie przekracza 2 mGy/h, • wysoko aktywne • źródła zamknięte o aktywności do 74 GBq • napromienione pojemniki o mocy dawki od 40 mGy/h do 100 mGy/h. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych w Polsce • Lokalizacja CSOP spełnia kilka podstawowych kryteriów, • miejscowość Różan centralnie położona od punktów dostaw odpadów, • teren na niskie zaludnienie, z dała od terenów budowlanych, od miejsc poboru wody pitnej, na terenie suchym, o podłożu nieprzepuszczalnym, gliniastym • teren fortu jest kilka metrów nad poziomem wód gruntowych, oddzielonych warstwą gliny (o bardzo małej przepuszczalności) i warstwą gleby (posiadającej właściwości sorpcyjne). • Obszar CSOP obejmuje 4,2 ha, • wzdłuż zachodniej i południowej granicy jest sucha fosa o głębokości około 2 m, • na terenie znajduje się szereg betonowych bunkrów naziemnych lub częściowo zagłębionych o grubości ścian 1,2 - 1,5 m, z dodatkowymi nasypami ziemnymi. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Składowanie odpadów promieniotwórczych w Polsce • Sucha fosa - ostateczne składowanie emiterów b i g. • kolejno na odcinku 4 m dno i ściany fosy pokrywane są warstwą betonu o grubości 20 cm, • zapełniony odcinek zalewany betonem, góra pokryta asfaltem. • odpady o największej mocy dawki umieszczane są na dnie fosy w typowych bębnach o pojemności 200 dm3 w warstwach, rozdzielonych betonem o grubości 20 cm, • hoboki o pojemności 50 i 70 dm3 układane w dwóch warstwach, bez betonowej przegrody. • Bunkry – chwilowe składowanie emiterów a, • komorzy po całkowitym zapełnieniu są szczelnie zamknięte lub zamurowane. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Nieczynny reaktor „EWA” • Pierwszy polski reaktor EWA (Eksperymentalny, Wodny, Atomowy) w Świerku, • reaktor naukowo-badawczy, sprowadzony z b.ZSRR • pierwszy raz uruchomiony w roku 1958 • definitywnie zamknięty w roku 1995 • Pozostała pusta konstrukcja służy do przechowywania odpadów radioaktywnych. • Hala reaktora EWA znajduje się w odległości około 300 metrów od hali czynnego reaktora MARIA. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Nieczynny reaktor „EWA” Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Zużyte paliwo jądrowe • W Polsce roczne zużycie energii całkowitej pokryłaby energia pozostała w paliwie zużywanym w elektrowni jądrowej o mocy 2GW(e). • We Francji stosuje się na skalę przemysłową częściowo zamknięty cykl paliwowy MOX (Mixed OXide - UO2+PuO2), w którym wykorzystuje się pluton z zużytego paliwa jądrowego. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Przemiany w cyklu U-Pu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Zużyte paliwo jądrowe • Eksploatację paliwa cechuje różnorodność procesów jądrowych. • Pojawia się znacząca liczba jąder, szczególnie tzw. rzadkich aktynowców MA (minor actinides) Np, Am i Cm. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Wypalone paliwo jądrowe(główne składniki promieniotwórcze 1GWe/rok) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Zużyte paliwo jądrowe • Na skalę przemysłową częściowo zamknięty cykl paliwowy jest od dawna realizowany we Francji. • Pluton z zużytego paliwa domieszany do paliwa uranowego jest paliwem typu MOX (UO2+ PuO2). • Pełny recykling plutonu w zwykłych reaktorach lekkowodnych (na neutronach termicznych) obok redukcji udziału izotopów rozszczepialnych prowadzi do transmutacji istotnej części plutonu w promieniotwórcze transplutonowce, mające znikomy ułamek neutronów opóźnionych. • Materiały te mają dodatnie próżniowe współczynniki reaktywności. • Nie mogą być względów bezpieczeństwa stosowane jako paliwo w układach krytycznych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

ENERGETYKA JĄDROWA