Environmentální aspekty jaderné energetiky a jaderné havárie Václav Dostál Přednáška v předmětu: Uran v mezinárodních vztazích Masarykova univerzita 8. 11. 2022 Obsah • Jak funguje jaderná elektrárna a její využití – Jak funguje jaderná elektrárna, vysvětlení jednotlivých okruhů jaderné elektrárny, elektrizační síť a profil využití jaderné elektrárny. • Environmentální aspekty jaderné energetiky – Environmentální aspekty jaderné energetiky, externality výroby elektřiny v jaderných elektrárnách, srovnání s dalšími elektrickými výrobnami • Jaderné havárie ve světě a v ČSSR – Jaderná bezpečnost – Jaderné havárie v historii – příčiny, následky, poučení Proč jaderná energetika ? • 1 chemická vazba v uhlí – několik eV • 1 štěpění uranu – 200 MeV • Štěpení uranu je 100 000 000 x výkonnější než pálení uhlí • Důležitý je i objem – uran má přibližně 15 x vyšší hustotu než uhlí • Podíl uranu ve vytěžené rudě – Několik procent • Ztráta při obohacování Experimental Breeder Reactor 1. kritický stav 24. srpna 1951. 20. prosince poprvé vyrobena elektřina z jaderné energie. Příští den využita pro osvětlení celé budovy. Výkon 200kWe 1.4MWth Účinnost – 14% Jaderná elektrárna Obninsk • AM-1 (Atom mirnyj) • 5 MWe • 30 MWth • Účinnost 16,6% • Předchůdce reaktorů typu RBMK • Připojena k síti 26. června 1954 Jaderná elektrárna Calder Hall První blok připojen do sítě 27. srpna 1956 „První elektrárna, která dodávala do sítě komerční množství elektřiny.“ 4 x 50 MWe Oklo – Gabun Příroda to uměla dávno před námi Před 1 miliardou a 700 miliony lety v gabunské lokalitě Oklo fungoval jaderný reaktor. Oklo - Gabun Řetězová štěpná reakce zde probíhala přibližně 500 tisíc let. Starohorní reaktor spotřeboval podle odhadu 12 tisíc tun uranu. Vyrobil energii odpovídající 3 letům plného výkonu všech čtyř bloků jaderné elektrárny Dukovany. Později v lokalitě objeveno dalších 16 „reaktorů“. Odpověď na problematiku nakládání s jadernými odpady Štěpení • Energie uvolněná uvolněná na jedno štěpení ~ 200 MeV (3.2 x 10-11 J) Tepelné vs. rychlé reaktory • Na nízkých energiích je velká pravděpodobnost štěpení u U235, kterého je v přírodě asi 0,7%. • Proto je třeba neutrony v reaktoru zpomalovat a přitom nepohlcovat, k tomu se užívá moderátor – látka s velkým obsahem lehkých prvků, např. voda. • U rychlých reaktorů se podstatně rozšiřuje palivová základna, lze využít i U238, kterého je v přírodě 99,3% (absorpcí neutronu se změní na Pu239) – u rychlých reaktorů je třeba vyšší obohacení a nesmí se používat voda. • Dalším materiálem, ze kterého lze vyrobit štěpný materiál je např. thorium, které produkuje U233 Henri Becquerel 1852 – 1908 stín kovového maltézského kříže umístěného mezi deskou a uranovou solí 1896 – objev přirozené radioaktivity Marie Curie-Sklodowska • 1867 – 1934 • Popis přirozené radioaktivity • 2 Nobelovy ceny • Na doporučení manžela pracovala jako doktorandka pod vedením Henri Becquerela • Objev přirozené radioaktivity • Izolování polonia a radia ze smolince z Jáchymovských dolů Ernst Rutherford 1871 – 1937 Definoval poločas rozpadu a záření a, b (1899), g (1903) Objev jádra atomu (1909) Objev protonu (1918) Předpověděl existenci neutronu (1921) Experimentálně potvrzeno Jamesem Chadwickem (1932) Ernst Rutherford Vyvrácení Thomsonova modelu atomu Rozměr jádra 10-15 - 10-14 Rozměr atomu 10-10 Atom je v podstatě prázdný prostor Niels Bohr Dopracoval Rutherfordův model atomu. Založil kvantovu mechaniku ve spolupráci s Heisenbergem a Schrödingerem. James Chadwick • 1891 – 1974 • Objev neutronu – 1932 • Pomocí α částic ozařoval berylium a zjistil, že: – při následné reakci vzniká záření – toto záření se neodchyluje od původního směru ani v elektrickém poli ani v magnetickém poli. – velice snadno reaguje s parafinem (uhlovodík nasycený vodíkem). – z parafinu poté vylétávají protony s energií, kterou před vytržením protonu z parafinu nesla částice o zhruba stejné hmotnosti. • Tak byl objeven neutron • Neutronové zdroje – start reaktoru James Chadwick Objev štěpení • Fermiho – 1934 – bombardoval uran neutrony a objevil transurany • Německá chemička Ida Noddack v časopise Angewandte Chemie, No. 47, 1934, spekulovala: „Je možné, že pokud jsou těžká jádra bombardována neutrony, mohou se tato jádra rozpadnout do pár větších kousků, které jsou určitě izotopy známého prvku, ale ne příbuzného radioaktivního prvku“ • Myšlenka, že těžká jádra se mohou štěpit na menší elementy, byla považována za naprosto nepřípustnou teorii, kterou není možné prokázat experimentálně. Objev štěpení – Otto Hahn a Lisa Meitner • V listopadu 1938 Lisa Meitnerová, dlouholetá Hahnova spolupracovnice emigrovala před nacisty z Rakouska do Stockholmu. • Téhož roku se tajně setkala v Kodani s Hahnem; naplánovali sérii dalších experimentů, které pak prokázaly jev radioaktivního štěpení. • V prosinci 1938 Hahn a Strassmann identifikovali barium jako prvek vzniklý bombardováním vzorků uranu neutrony, což se později potvrdilo. • Otto Rober Frisch, synovec Meitnerové, vytvořil termín „jaderné štěpení“. • Uznání za objev jaderného štěpení připadl trochu nezaslouženě Hahnovi Enrico Fermi 1901 – 1954 1. jaderný reaktor Chicago – 2. 12. 1942 Shippingport reaktor Jaderná elektrárna Shippingport • „První velká jaderná elektrárna vybudovaná pouze pro mírové účely“ • Calder Hall vyráběla Pu pro vojenské účely • Připojena 2. prosince 1957 a byla provozována do října 1982. • Experimentální, lehkovodní, rychlý, množivý reaktor • Byl schopen transmutova thorium 232 na uran 233 • Shippingport byl vytvořen a provozován pod vedením admirála Hyman G. Rickover • Výkon 60 Mwe • Dva cíle – Pohon letadlových lodí – Prototyp pro komerční jaderné elektrárny Schéma tlakovodního reaktoru Schéma varného reaktoru Jaderné palivo Aktivní zóna Ponorky na jaderný pohon • 17. ledna 1955 – USS Nautilus Tlakovodní reaktory Pb-Bi reaktory Letadlové lodě na jaderný pohon • 1961 – USS Enterprise – 8 reaktorů, celkem 200 MW Jaderné letadlo • Convair X-6 • 50 letů • 1955 – 57 • Nikdy neletěl na jaderný pohon JE dnes • 427 jaderných reaktorů v provozu • 382 796 MWe instalovaný výkon • 56 jaderných reaktorů ve výstavbě » https://pris.iaea.org/pris/home.aspx JE v elektrické síti • Fungování elektrické sítě – Zdroje pro základní zatížení – Denní diagram – Skladování elektřiny – Výrobní náklady • JE vs. KE – Struktura nákladů na výrobu elektrické energie • Odpisy, palivo, údržba, vyřazování z provozu a vyhořelé palivo Denní diagram Hlavní výhody jaderné energetiky • Dlouhodobě stabilní spolehlivé dodávky elektrické energie za predikovatelnou (nízkou) cenu • Energetická bezpečnost státu • Minimální dopady na životní prostředí • Minimální dopady na zdraví obyvatelstva • Vysoký synergický efekt • Mezinárodní vizibilita Kdo profituje z jaderné energetiky? • Veškeré výhody jaderné energetiky jsou na straně státu • Veškerá rizika jaderné energetiky jsou na straně provozovatele • PROTO STÁT MUSÍ HRÁT VE VYUŽÍVÁNÍ JADERNÉ ENERGETIKY KLÍČOVOU ROLI Obsah • Jak funguje jaderná elektrárna a její využití – Jak funguje jaderná elektrárna, vysvětlení jednotlivých okruhů jaderné elektrárny, elektrizační síť a profil využití jaderné elektrárny. • Environmentální aspekty jaderné energetiky – Environmentální aspekty jaderné energetiky, externality výroby elektřiny v jaderných elektrárnách, srovnání s dalšími elektrickými výrobnami • Jaderné havárie ve světě a v ČSSR – Jaderná bezpečnost – Jaderné havárie v historii – příčiny, následky, poučení Proč jaderná energetika ? • 1 chemická vazba v uhlí – několik eV • 1 štěpění uranu – 200 MeV • Štěpení uranu je 100 000 000 x výkonnější než pálení uhlí • Důležitý je i objem – uran má přibližně 15 x vyšší hustotu než uhlí • Podíl uranu ve vytěžené rudě – Několik procent • Ztráta při obohacování Žijeme s rizikem • Každá lidská činnost představuje riziko • Při výrobě elektrické energie umírají lidé, přesto si svůj život bez ní nedokážeme představit a bez elektrické energie by nejspíš umíralo lidí ještě více. • Naší povinností by mělo být minimalizovat oběti, které svým konáním zapříčiňujeme • Každý z nás je do jisté míry vrah… Ceny elektrické energie • Výrobní cena, počáteční investice, závislost ceny energie na ceně paliva, odepsání elektrárny, bezpečnost státu Co věci, které nejsou v ceně el. energie zahrnuty? • Ne všechny náklady jsou zahrnuty v ceně výrobku – Externí náklady (pozitivní a negativní) • Projekt ExternE evropské komise se touto problematikou zabývá od roku 1991 • Účastní se ho přes 50 vědeckých týmů z více než 20 zemí • V současnosti není asi lepší zdroj informací Externí náklady jednotlivých zdrojů Počet mrtvých na 1TWh V české republice ročně spotřebujeme něco kolem 70 TWh • Při našem mixu to představuje zhruba 550 mrtvých ročně – myslete na ně, až si dnes večer rozsvítíte… – (546/uhlí+biomasa, 1,7/jádro, 2,4/voda) ENERGY SOURCE DEATHS FATAL/TWH TWH NOTES ----------------- --------- --------- ------- ------------------------------------ Coal – world 67,000,000 129 520,000 (26% world energy, 50% of elec.) Coal – USA/Europe About ten times safer Oil 101,000,000 133 720,000 (36% of world energy) Natural Gas 6,000,000 13 460,000 (21% of world energy) Biofuel/Biomass 12.00 Peat 12.00 Solar (rooftop) 480 0.44 960 (less than 0.1% of world energy) Wind 1,760 0.15 12,000 (less than 1% of world energy) Hydro + Banqiao) 195,000 0.84 232,000 (~2500 TWh/yr + 171,000 Banqiao dead) Nuclear 15,000 0.07 208,000 (5.9% of world energy) ----------------- --------- --------- ------- ------------------------------------- World 180.2 million 60 2,000,000 Terawatt-hours Unaccounted 10.8 million 60 120,000 TWh = 6.00% … fatalities prorated Mýtus spásy • I když jaderná energetika představuje malé riziko, pořád je to riziko. • Zastavením jaderných elektráren toto riziko zmizí. • OMYL – jaderná energetika nezmizí, ale bude něčím nahrazena. • Otázka na každého kdo proti něčemu brojí by měla být – „Jaká je vaše alternativa?“ • Bude ta náhrada představovat menší riziko? Princip ALARA Linear risk model Pozitivní vliv malých dávek ? (radiační hormeze) Závislost rizika na vynaložených nákladech. Palivový cyklus JE 54 Problém jaderného odpadu • Vyhořelé palivo z jaderné elektrárny tvoří méně než 1 % objemu všech jaderných odpadů na světě, avšak obsahuje přes 90 % veškeré radioaktivity. • I když bývá vyhořelé jaderné palivo považováno za odpad, může se stát cenným zdrojem surovin nebo jaderným palivem pro jiný typ jaderné elektrárny. • Obě české jaderné elektrárny během celé doby svého provozu vyprodukují celkem cca 3 000 tun vyhořelého jaderného paliva. • Často se hovoří o likvidaci vyhořelého paliva, zatím však jde jen o jeho bezpečné uložení na místo, kde se přirozenými radioaktivními přeměnami zlikviduje samo, problémem je že to může trvat velmi dlouho. Dělení radioaktivních odpadů • Nízkoaktivní - obvykle zbytky málo kontaminovaných materiálů – Nízkoaktivní odpady tvoří asi 90 % veškerých radioaktivních odpadů. – Jedná se o zbytky z radioaktivních provozů, jako jsou drtě, kovy, papírové a plastikové obaly, nářadí a ochranné oděvy tvoří objemově značnou část radioaktivních odpadů jako celku. – Tyto látky lze ukládat do povrchových úložišť. Spalitelná část těchto odpadů bývá před uložením zpopelněna. Poločas rozpadu nízkoaktivních odpadů je zhruba 30 let. • Středně aktivní - více kontaminované materiály – Tento odpad nemůže být zařazen do kategorie nízkoaktivního odpadu, ale zároveň nevyžaduje speciální zacházení jako vysokoaktivní odpad. – Při manipulaci a přepravě středně aktivního odpadu je nutné stínění, ale uvolňované teplo je malé. – Jedná se o servisní materiály, jako jsou povlaky paliva, konstrukční materiály palivových souborů, nečistoty ve formě kalů, náplně kolon chemické úpravy chladiv, moderátorů, ale i zařízení na úpravu vyhořelého paliva. – Některé z těchto odpadů vyžadují trvalé uložení v hlubinném geologickém úložišti, v ostatních případech je možné použít úložiště povrchového typu. • Vysoce aktivní - například vyhořelé jaderné palivo či zbytky po jeho přepracování – Tento odpad uvolňuje značné množství tepla - vyžaduje chlazení a stínění. – Více než 90 % tohoto druhu odpadu tvoří vyhořelé palivové články z jaderných elektráren. – Zásadním nebezpečím vysoce aktivních odpadů je velká koncentrace radioaktivních a extrémně dlouhodobých radionuklidů, s poločasem rozpadu sto tisíc i více let. – Odborníci uvádějí, že nejnebezpečnější doba je prvních zhruba 300 let. – Ze všech radioaktivních odpadů představují vysoce aktivní odpady nejmenší množství co do objemu, ale obsahují 90 % veškeré radioaktivity. 56 Způsoby uložení vysoce aktivního jaderného odpadu • Jaderný odpad se dočasně ukládá na 40-50 let do meziskladů, • dále do vodních bazénů u jaderných reaktorů nebo mimo ně, • využívá se také tzv. suché skladování ve stíněných ocelových stíněných kontejnerech, popř. v betonových sklípcích nebo betonových kontejnerech. • Každá z těchto metod má své výhody a nevýhody a její využití se řídí lokálními potřebami jednotlivých jaderných elektráren. • Definitivní uložení jaderného odpadu umožní hlubinná úložiště. Mezisklad vyhořelého paliva • 2 kontejnery CASTOR – 1 rok provozu JE Temelín 57 Mezisklad vyhořelého paliva 59 Hlubinné úložiště • Musí představovat bariéry bránici úniku radioaktivních látek do okolí. • Inženýrské bariéry jsou tvořeny – vlastní konstrukcí úložiště, – způsobem ukládání odpadů do úložiště – obalem nebo matricí, do nichž jsou odpady vloženy a ukládány. 60 Umístění úložiště • Přírodní bariérou při ukládání radioaktivního odpadu jsou geologické vlastnosti prostředí, ve kterém je úložiště radioaktivního odpadu situováno. • Při výběru lokality jsou přitom velmi přísně posuzována zákonem stanovaná kritéria pro umístění těchto zařízení. • Úložiště jaderného odpadu nemůže být umístěno např. v zátopové nebo krasové oblasti, v oblastech, kde by jeho přítomnost mohla mít znehodnocující vliv na zásoby podzemních či minerálních vod apod. • Příznivými charakteristikami pro umístění jsou nepropustnost podloží, dostatečná vzdálenost od vodních toků nebo ploch a dostatečná vzdálenost od míst trvalého osídlení. 61 Problémy hlubinných úložišť Problémem tohoto způsobu likvidace = uložení je, že: – celé úložiště musí monitorováno po celou dobu provozu, resp. dokud neklesne aktivita materiálů pod bezpečnou úroveň. – To představuje ekonomickou zátěž. 62 Jiné možnosti • Přepracovat a dále použít v reaktorech – ekonomicky nevýhodné, • Transmutovat – cílené jaderné reakce, které vytvoří z radionuklidů nuklidy stabilní. – ADTT – MSR 63 Chemické přepracovávání vyhořelého paliva Vyhořelé palivové články z dnešních jaderných elektráren stále ještě 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. 64 Třídění složek vyhořelého paliva • Plutonium se opět použije jako palivo. • Uran se uskladní nebo použije pro výrobu nového paliva. • Zbytky kovového pokrytí 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 litrů vysokoaktivního 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 náročný provoz. 65 Ekonomie využití vyhořelého paliva • V současné době je stále levnější těžba nového uranu, než přepracovávání použitého jaderného paliva z jaderných elektráren. • Uran z mořské vody 66 Uložení nízkoaktivních a středněaktivních radioaktivních odpadů Prvotní zpracování • Nízkoaktivní a středněaktivní radioaktivní odpad z JE Dukovany a JE Temelín jsou předávány k uložení ve zpevněné formě nebo ve schválených obalech. • Technologie bitumenace, použitá na úpravu kapalných radioaktivních odpadů v obou jaderných elektrárnách, zaručuje dlouhodobou stabilní ochranu proti účinkům radiace. • Pevné radioaktivní odpady pocházející z kontrolovaného pásma jsou tříděny podle svých charakteristických vlastností. • Tento způsob nakládání umožňuje průkaznější určení radionuklidů, kterými jsou odpady kontaminovány. 67 Uložení nízkoaktivních a středněaktivních radioaktivních odpadů Konečná úprava • Odpady jsou po přípravě skladovány a před konečnou úpravou se lisují do sudů o objemu 200 litrů. Konečná úprava probíhá kampaňovitě, sudy s předlisovaným odpadem jsou slisovány vysokotlakým lisem. • 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.Vytříděná neaktivní část odpadů je zneškodněna konvenčními způsoby, které jsou používány při nakládání s neaktivními odpady. Úložiště nízkoaktivních RAO Dukovany 71 Uložení nízkoaktivních a středněaktivních radioaktivních odpadů 72 Likvidace jaderné elektrárny. • Samotná jaderná elektrárna rovněž jednou doslouží. • Nelze ji jednoduše rozebrat, protože řada konstrukčních prvků může být radioaktivních. • Jsou tedy dvě možnosti, – buď elektrárnu rozebrat a s radioaktivními komponentami naložit stejně jako s vyhořelým palivem nebo – celou elektrárnu zakonzervovat a monitorovat, což stojí další náklady na zařízení, které není v provozu. Obsah • Jak funguje jaderná elektrárna a její využití – Jak funguje jaderná elektrárna, vysvětlení jednotlivých okruhů jaderné elektrárny, elektrizační síť a profil využití jaderné elektrárny. • Environmentální aspekty jaderné energetiky – Environmentální aspekty jaderné energetiky, externality výroby elektřiny v jaderných elektrárnách, srovnání s dalšími elektrickými výrobnami • Jaderné havárie ve světě a v ČSSR – Jaderná bezpečnost – Jaderné havárie v historii – příčiny, následky, poučení Definice jaderné bezpečnosti • Cílem jaderné bezpečnosti zabránit nekontrolovanému rozvoji štěpné řetězové reakce a zabránit nedovoleným únikům radioaktivních látek nebo ionizujícího záření do životního prostředí. Ochrana do hloubky • Bariéry – Organizační, fyzické • Redundance • Diverzifikace • Separace Klasifikace havárií • Fyzikální přístup – I. třída: Havárie vyvolané kladnou změnou reaktivity – II. třída: Havárie se ztrátou chladiva – III. třída: Havárie v systému odvodu tepla – IV. třída: Ostatní havárie – V. třída: Vnější vlivy Mezinárodní stupnice INES • Mezinárodní stupnice pro hodnocení jaderných událostí (The International Nuclear Event Scale – INES) • Slouží k rychlé orientaci veřejnosti o závažnosti, rozsahu a následcích havárií, poruch, nehod a odchylek provozu od nominálního stavu. • Nenahrazuje povinnost provozovatele provést důkladnou analýzu příčin a následků událostí. • Stupnici INES zavedla IAEA v r. 1991. Analýza pomoci stromu událostí - příklad Výsledky Rassmussenovy studie bezpečnosti 100 amerických jaderných elektráren Riziko v důsledku havárie je srovnatelné s rizikem způsobeným pádem meteoritu. Analýza bezpečnosti • Deterministická analýza • PSA/PRA LOSP 39% Loss of Support Systems 25% General Transient 19% TRANSIENTS 83% LOCA 8% ATWS 9% Other 3% Flood 5% Seismic 13% Fire 24% INTERNAL EVENTS 55% EXTERNAL EVENTS 45% Kvantitativní bezpečnostní cíle US NRC • Časné a latentní riziko úmrtí na rakovinu pro jednotlivce žijícího v okolí elektrárny nesmí být vyšší, něž 0.1 procenta přirozeného rizika úmrtí při nehodách nebo na rakovinu. • Riziko časného úmrtí jednotlivce: očekávaná velikost rizika pro průměrného jednotlivce v oblasti od hranice elektrárny do okruhu 1609.3 m (1 míle) nižší než 5x10-7 za rok. • Latentní riziko úmrtí jedince na rakovinu: očekávaná velikost rizika latentního úmrtí na rakovinu pro průměrného jednotlivce v oblasti od hranice elektrárny do okruhu 16,093m (10 mil) nižší než 2x10-6 za rok. Doplňkové cíle • Očekávaná pravděpodobnost tavení paliva – CDF < 10-4 /reaktor/rok. • Očekávaná pravděpodobnost porušení kontejnmentu < 0.1. • Pravděpodobnost velkého brzkého úniku – LERF < 10-5 /reaktor/rok. Vybrané jaderné havárie • A-1 1976, 1977 • TMI-2 1979 • Černobyl 1986 • Fukušima 2011 • Tokaimura • Windscale • (Kashiwazaki Kariwa) • (Davis Besse) Děkuji za pozornost Co AZE? Co AZE? Co AZE? Německo – výroba 2 týden 2019