Úložiště jaderného odpadu Ing. František Lemfeld přednáška pro předměty Jaderná energetika, Termodynamika a sdílení tepla Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Technická univerzita v Liberci Strojní fakulta Katedra energetických zařízení
47
Embed
Úložiště jaderného odpadu - KEZÚložiště jaderného odpadu Ing. František Lemfeld přednáška pro předměty Jaderná energetika, Termodynamika a sdílení tepla Tato prezentace
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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
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
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
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