JADERNÝ PALIVOVÝ CYKLUS V ČESKÉ REPUBLICE PhDr. Tomáš Vlček, Ph.D. MVZ216 Uran v MVZ a ČR Mezinárodní vztahy a energetická bezpečnost Katedra mezinárodních vztahů a evropských studií  Ionizující záření  Štěpná řetězová reakce Ionizující záření Dálkové lety v letové hladině 10 km = ca. 4 μSv/hod Czech Republic - cca 3 mSv/year Iran (Ramsar) - up to 400 mSv/year India (Kerala) - up to 17 mSv/year Brazil (Guarapari) - up to 175 mSv/year Přírodní pozadí ve světě Jaderný palivový cyklus 8 http://www.youtube.com/watch?v=jRdj6lsup2E Jaderný palivový cyklus 10 Jaderný palivový cyklus - těžba  ČR je v současnosti jedinou evropskou zemí, která uran ještě těží  V uranovém hornictví se angažuje jediná společnost, a to státní podnik DIAMO (odštěpný závod GEAM) v dole Rožná v Dolní Rožínce 11 Ložiska, zásoby a těžba uranu k 31. 12. 2011 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Počet ložisek celkem 7 7 7 7 7 7 - z toho těžených 1 1 1 1 1 1 Zásoby celkem 135 990 135 812 135 729 135 553 135 425 135 361 - z toho bilanční prozkoumané 1655 1671 1677 1545 1426 1 416 - z toho bilanční vyhledané 19 411 19 476 19 435 19 428 19 420 19 427 - z toho nebilanční 114 924 114 665 114 617 114 581 114 579 114 518 - z toho vytěžitelné 596 677 643 503 377 374 Těžba 420 383 322 290 286 259 Produkce koncentrátu* 409 358 291 261 243 237 Poznámka: hodnoty zásob, těžby a produkce uranového koncentrátu v tunách, produkce uranového koncentrátu ze sanačních prací není do hodnot započítána * Odpovídá odbytové produkci (bez ztrát úpravou). Zdroj: Ministerstvo životního prostředí / Česká geologická služba – Geofond, 2011, s. 88. 12 13 14 15 17 18 19 20 Jaderný palivový cyklus 25 Jaderný palivový cyklus - konverze  Dnes je v České republice čistý uran průměrně pouze 0,16 % uranové rudy (v polovině 19. století to bylo až 65 %)  Musí být nejdříve očištěn od tzv. hlušiny  Očištěná ruda je poté rozemleta a po chemické úpravě kyselinou sírovou přepracována do tzv. uranového koncentrátu – oxidu uranito-uraničitého U3O8 (též žlutý koláč z anglického yellow cake)  Tento meziprodukt od s. p. DIAMO odebírá převážně jeden zákazník, a to společnost ČEZ, a.s. (Dalšími zákazníky jsou Francie, Něměcko, Kanada a Rusko.) V roce 2009 jí bylo prodáno celkem 270,4 tun koncentrátu.  Domácí výroba však není pro potřeby ČEZ, a.s. dostačující, neboť spotřeba koncentrátu v jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín se pohybuje v rozsahu 650-700 tun ročně. 26 27 Země Společnost Název/lokalita kapacita (t/rok) Brazílie IPEN Sao Paulo 90 Čína CNNC Lanzhou 400 Francie COMURHEX (100 % Areva NC) Pierrelate 14 000 Areva NC Pierrelate TU5 350 Írán AEOI Isfahan 193 Kanada Cameco Port Hope, Ontario 10 500 Rusko Rosatom Jekatěrinburg 4 000 Angarsk 20 000 USA Converdyn (50 % Honeywell Int. Inc., 50 % General Atomics) Metropolis, Illinois 17 600 Velká Británie British Nuclear Fuels Springfields 6 000 Celkem 73 133 Jaderný palivový cyklus - konverze Jaderný palivový cyklus - konverze 28 SPOTová cena uranového koncentrátu U3O8 na světovém trhu 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012* 24,7 25,69 34,71 53,3 92,37 173,0 1 238,6 6 141,2 5 115,5 3 157,6 3 115,0 4 108,5 8 Poznámka: Nuexco Exchange Spot. Hodnoty vždy k prosinci daného roku. Údaje v amerických dolarech (USD) za kilogram. Údaj pro rok 2012 je k srpnu. Zdroj: Index Mundi; přepočet T. Vlček. Zbytek tedy ČEZ, a.s. buď dokoupí na světovém trhu anebo nakoupí přímo obohacené palivo. Od konce roku 2009, kdy začala ruská společnost OAO TVEL dodávat palivo jak pro JE Dukovany, tak pro JE Temelín, ČEZ, a.s. nakupuje pouze finální produkt, tedy obohacené palivo a domácí těžba s. p. DIAMO je prodávána na trhu. 29 30 31 32 33 Jaderný palivový cyklus 36 Jaderný palivový cyklus - obohacení  V případě, že ČEZ, a.s. použije zvlášť nakoupený koncentrát, musí na světové burze poptávat tzv. separační jednotky, tj. obohacovací služby.  Ty lze nakoupit pouze u sedmi zemí na světě: Rusko, USA, Francie, Kanada, Spojené království, Čína a Brazílie, ČEZ, a.s. je nakupoval ve Francii  Uran má stálý poměr izotopů: obsahuje 99,284 % 238U, 0,711 % 235U a 0,005 % 234U.  Pro štěpné reakce a využití v současné jaderné energetice je však dosud použitelný téměř výhradně izotop 235U.  Pro účely českých jaderných elektráren je třeba obohacení na 3,6 až 4,4 % 235U dle reaktoru.  Z těženého materiálu je pro prvotní úpravu využitelných jen 0,16 % obsahu, během obohacovacího procesu na cca 4 % 235U sníží hmota objem 8 až 8,5 krát (z 650-680 tun koncentrátu se získá pro české jaderné elektrárny přibližně 80 tun paliva UO2).  I tak jde ale v případě uranu o obrovskou energetickou hustotu, z 1 kg jaderného paliva se průměrně získá 2100 GJ energie, v případě uhlí jde pouze o 0,033 GJ. 37 38 39 Country Company Location Capacity (1000 SWU/year) Porous membrane enrichment Argentina CNEA Pilcaniyeu 20 Čína CNNC Lanzhou 900 Francie EURODIF Tricastin 10 800 USA U. S. Enrichment Corp. Paducah, Kentucky 11 300 Porous membrane enrichment total 23 020 40 41 Centrifuge enrichment Brazil INB Resende ? China CNNC Hanzhong 500 Lanzhou 500 France EURODIF Gerges Besse II, Tricastin Under Construction India DAE Nuclear Fuel Complex Ratnahalli 4,5 Iran AEOI Nazanz ? Qom ? Japan JNC Ningyo Toge 200 Japan Nuclear Fuel Limited Rokkasho-mura 1 050 North Korea Yongbyon 8 Germany Urenco Deutschland GmbH Gronau 2 750 Netherlands Urenco Nederland BV Almelo 4 400 Pakistan Pakistan Atomic Energy Commission Kahuta 5 Russia Rosatom UEIE Jekatěrinburg 7 000 SKhK Seversk 4 000 ECP Zelenogorsk 3 000 AEKhK Angarsk 2 600 USA Urenco USA National Enrichment Facility, Lea County, NM Under Construction Great Britain Urenco UK Ltd. Capenhurst 5 050 Total centrifuge enrichment 31 067,5 42 43 Jaderný palivový cyklus 44 Jaderný palivový cyklus - fabrikace  Palivo se přefabrikuje do tzv. pelet (o průměru a výšce 1 cm), které se sestaví do tzv. palivových tyčí (proutků), a ty se sestavují do tzv. palivové kazety (článku, souboru).  V JE Dukovany je v aktivní zóně každého reaktoru 312 palivových kazet o jednotlivé hmotnosti 215 kg s obsahem 137 kg UO2 ve 126 palivových tyčích.  V JE Temelín je v každém reaktoru 163 palivových kazet o jednotlivé hmotnosti 766 kg s obsahem 563 kg UO2 v 312 palivových proutcích (v každém proutku je přibližně 370 pelet).  V JE Dukovany je tedy v aktivní zóně 42,7 tun paliva UO2, v JE Temelín pak 91,8 tun.  Takto připravené palivo je dodáno zákazníkovi, tedy společnosti ČEZ, a.s.  V roce 2010 bylo ukončeno výběrové řízení na nového dodavatele paliva, ve kterém zvítězila ruská OAO TVEL finančně neporazitelnou nabídkou. Až do roku 2020 bude OAO TVEL výhradním dodavatelem paliva do obou českých jaderných elektráren.  V současnosti se veškeré palivo dopravuje letecky z Ruské federace a následně nákladními vozy do příslušných elektráren. 45 46 Uhlí, uran, OZE 47 Uhlí, uran, OZE 48 Uhlí, uran, OZE 49 Uhlí, uran, OZE 50 51 52 Uhlí, uran, OZE 53 54 55 56 57 Jaderný palivový cyklus 58 Jaderný palivový cyklus - využití 59 Jaderný palivový cyklus - využití  Štěpnou řetězovou reakcí se spotřebovává výhradně uran s izotopem 235U.  Použité palivo obsahuje přibližně čtvrtinu původní hodnoty tohoto izotopu, zůstává tedy stále obohaceno na cca 1 % 235U.  Použité palivo se skládá z více než 96 % oxidu uraničitého (UO2) a nově vzniklých příměsí oxidu plutoničitého (PuO2) v množství cca 1 % a dalších sloučenin (3 %), přičemž většina štěpných produktů jsou radioaktivní izotopy.  Aktivní zóna JE Dukovany obsahuje 360 souborů. EDU je v současné době na pětiletém cyklu, tj. každý rok se vyměňuje pouze 1/5 použitého paliva z celkové vsázky, tj. 72 kazet.  V JE Temelín obsahuje aktivní zóna 163 palivových souborů a provoz elektrárny je nastaven na čtyřletý palivový cyklus, každým rokem se tedy vyměňuje 1/4 použitého paliva, což činí 41 – 42 palivových kazet. 66 Jaderný palivový cyklus 67 Jaderný palivový cyklus - uložení  Po vyjmutí paliva z reaktoru přicházejí tři fáze:  V první fázi se palivové kazety nejdříve aktivně chladí v bazénu vedle reaktoru. Po pěti letech jsou přeloženy do suchých kontejnerů (CASTOR) a dále jsou pasivně chlazeny v meziskladech.  JE Dukovany ročně vyprodukuje necelý jeden kontejner použitého paliva. Hmotnost prázdného kontejneru je 93,7 tun, naplněného 116,1 tun. JE Temelín vyprodukuje ročně dva plné kontejnery použitého paliva a 3 až 4 tyče ve třetím kontejneru. Jsou vysoké 5,5 metru a naplněný váží každý přibližně 116 tun.  Druhá fáze, tedy transportní, je v současné době zajišťována železnicí, přičemž podléhá velmi přísné kontrole Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB). ČR se zatím netýká.  V suchém meziskladu se palivo ukládá na dobu přibližně 80 let. Proto se finální hlubinné úložiště (třetí fáze) v České republice plánuje až na rok 2065. 69 71 Jaderný palivový cyklus - uložení 72 Přípovrchová úložiště radioaktivních odpadů v České republice Úložiště Lokalita Typ úložiště Ukládané odpady Richard Litoměřice Bývalý vápencový důl Radioaktivní institucionální odpady, které vznikají ve zdravotnictví, průmyslu, zemědělství či výzkumu. Bratrství Jáchymov Bývalý uranový důl Pouze odpady, které obsahují přirozené radionuklidy, které se běžně vyskytují v přírodě (např. 235U, 238U, 232Th, 40K, 87Rb, 147Sm, 176Lu aj.). Dukovany Dukovany Účelová stavba v areálu JE Dukovany Odpady z provozu jaderných elektráren. Vznikají dva typy nízkoaktivních odpadů – pevné odpady (například kontaminované ochranné pomůcky, čisticí textilie, balicí materiály, papír, fólie, elektroinstalační materiál, stavební suť a podobně) a odpadní vody. Hostim Beroun Bývalý vápencový důl V provozu bylo v letech 1959 až 1964, dnes je úložiště uzavřeno. Dominantními nuklidy inventáře odpadů jsou radionuklidy tritium 3H a uhlík 14C. V průběhu času (přibližně od roku 2030) bude díky radioaktivní přeměně převládat radionuklid 14C. Poznámka: radionuklidy jsou atomy s nestabilním jádrem se stejným protonovým i nukleonovým číslem v rámci jednoho prvku; radionuklid v rámci jednoho prvku se označuje jako izotop. Zdroj: Správa úložišť radioaktivních odpadů; úprava T. Vlček. Jaderný palivový cyklus - uložení  http://www.youtube.com/watch?v=X2jUZ9y2OqE  Lokality pro vybudování hlubinného úložiště radioaktivních odpadů:  Březový potok u Pačejova  Čertovka u Lubence  Horka u Budišova  Hrádek u Rohozné  Čihadlo u Lodhéřova  Magdaléna u Božejovic  Kraví hora u Moravských Pavlovic  Od roku 2010 probíhá v těchto lokalitách geologický průzkum, přičemž má tři fáze:  první vyhledávací fázi do roku 2015  druhou průzkumnou fázi v letech 2015 až 2025  třetí fázi podrobného průzkumu v letech 2025 až 2050.  Po získání dostatečného souboru dat k prokázání bezpečnosti lokality bude zažádáno o povolení k výstavbě hlubinného úložiště, která by měla probíhat v letech 2050 až 2065.  Po uplynutí této doby se také rozhodne, zda bude použité palivo z jaderných elektráren přepracováno a využito jako energetická surovina pro výrobu paliva nového, nebo se jako odpad natrvalo uloží do hlubinného úložiště. 73 Jaderný palivový cyklus - uložení  Vlastníkem použitého jaderného paliva je v České republice společnost ČEZ, a.s. Ta je odpovědná pouze za skladování, za konečné uložení odpovídá stát. K tomu účelu byla zřízena Správa úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO), která podle atomového zákona odpovídá za úpravu vyhořelého nebo ozářeného paliva do formy vhodné buď pro uložení, nebo pro jeho další využití.  Rozhodnutí, kdy vyhořelé jaderné palivo bude předáno státu, však spočívá pouze na ČEZ, a.s. Do této doby nejde o radioaktivní odpad, ale o potenciálně využitelnou surovinu. 74 Schéma konce jaderného palivového cyklu v České republice Doba setrvání použitého paliva cca 5-13 let cca 80 let trvale, příp. do přepracování Místo bazény vyhořelého paliva v JE Dukovany a JE Temelín sklady JE Dukovany a JE Temelín, záložní úložiště Skalka hlubinné úložiště Zodpovídá ČEZ, a.s. SÚRAO Dozor vykonává Státní úřad pro jadernou bezpečnost Finanční prostředky příslušný rozpočet ČEZ, a.s. jaderný účet (odvody ČEZ, a.s.) Zdroj: Otčenášek, 2005, s. 540; úprava T. Vlček. 77 Děkuji za pozornost VYUŽITÍ JADERNÉ ELEKTRÁRNY PhDr. Tomáš Vlček, Ph.D. MVZ216 Uran v MVZ a ČR Mezinárodní vztahy a energetická bezpečnost Katedra mezinárodních vztahů a evropských studií Přenosy elektrické energie 79 • Elektrizační soustava je dynamický, permanentně aktivní a z vteřiny na vteřinu se měnící systém. • V současné době je většina výrobních zařízení a spotřebičů optimalizována na fekvenci 50 Hz. • V síti tato frekvence znamená, že vyráběný činný výkon (který je roven součtu všech činných výkonů vyrábějících generátorů v celé soustavě) se právě rovná odebíranému výkonu (součtu příkonů všech spotřebičů a ztrát v sítích). • Stav vyrovnané dodávky elektřiny a jejího odběru je v síti stavem optimálním a pro stabilitu elektrizační soustavy stavem žádaným. • Negativní projevy: zhoršení kvality elektřiny (snížení frekvence), přepětí sítě, podpětí sítě, brownout, blackout, ostrovní provoz • Důvody pro vznik uvedených stavů jsou různé, od plánovaných a neplánovaných odstávek výrobních bloků, přes nečekaná poškození transformátorů, sítí či rozvoden, důsledky aktuálního počasí (např. sněhové kalamity, prudké poklesy venkovních teplot apod.) až po prudké změny ve výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů (tj. z větrných a solárních elektráren). • Těmto stavům je nutno předcházet, k tomu slouží regulační zálohy Přenosy elektrické energie 80