11  Radioaktivní odpady a vyhořelé jaderné palivo

V každé jaderné elektrárně vznikají během provozu dva druhy radioaktivních materiálů. Jedním je vyhořelé (tedy použité) jaderné palivo, druhým jsou radioaktivní odpady. Úroveň aktivity těchto radioaktivních odpadů je různá, proto je také nutné k nim různě přistupovat.

Vyhořelé jaderné palivo je vysoce radioaktivní. Nakládání s ním je složité a vyžaduje špičkové technologie a techniku. Jinak je tomu s radioaktivními odpady. Ty vznikají při provozu reaktoru především ozářením jeho dříve neaktivních součástí, materiálů a vybavení (jsou to např. rukavice, návleky a jiné věci, které byly používány v blízkosti záření).

11.1  Radioaktivní odpady

Radioaktivní odpady vznikající při provozu jaderné elektrárny se dělí na tři kategorie - plynné, kapalné a pevné.

Plynné radioaktivní odpady vznikají především z odvětrávání pracovního prostředí, nádrží s aktivní vodou a podobně. Jsou čištěny ve filtrech a zadržovány v absorpčních komorách, v nichž se jejich radioaktivita snižuje pod úroveň limitů pro vypouštění do ovzduší.

Hlavními kapalnými radioaktivními odpady jsou radioaktivní chladicí voda a náplně většiny filtrů, kterými jsou čištěny aktivní kapaliny. Platí přitom, že jak v chladicí vodě, tak v ostatních chladicích tekutinách není radioaktivní sama voda, ale také v ním obsažené soli a korozní částice. Při zpracování jsou všechny kapalné odpady nejprve zahuštěny částečným odpařením vody, tento koncentrát je smíchán s asfaltem a uložen do sudů. Zbylá voda má zanedbatelnou aktivitu a je vypuštěna do životního prostředí.

Při důkladnosti čištění radioaktivní vody před tím, než se pustí mimo elektrárnu, je s podivem, že při svých kritikách jaderných elektráren se hnutí Duha značně opíralo právě o kapalné výpustě jaderné elektrárny Dukovany do řeky Jihlavy, která měla mít stonásobnou koncentraci tritia (radioaktivní vodík), než by měla bez vypouštění radioaktivní vody (Hnutí Duha: Aby se nám rozsvítilo...Šetrná energie pro každého, strana 9). Udělejme výpočet, který nám udělá obrázek o závažnosti a závadnosti těchto výpustí:

Například v roce 2001 bylo vypuštěno s vodou tritium s aktivitou 15,8TBq=15,8·1012Bq. Při množství vody, které bylo vypuštěno, tato hodnota odpovídá desítkám Bq na litr a takovou aktivitu má pro představu minerálka. Vypočítejme však, jaká by byla zátěž člověka, který by vypil všechnu vodu, která byla vypuštěna za rok 2001. Nejprve je třeba přepočítat Bq na Sv, k čemuž slouží převodní koeficient, který zohledňuje vliv radioaktivního izotopu na lidské tělo. Například stroncium se usadí v těle (naváže se v kostech) a tam se rozpadá, proto je pro tělo nebezpečné. Tririum však tělem proteče, aniž by se navázalo a kromě toho při rozpadu emituje nízkoenergetické záření, proto má malý převodní koeficient (H[Sv/Bq]=8,0·10-20). Tedy 1Bq(3H)=8,0·10-20Sv a kdyby dotyčný vypil všechnu vodu, obdržel by 1,2mSv, zatímco od přírodního pozadí získá 2000mSv za rok.

Pevné radioaktivní odpady vznikají nejčastěji při údržbářských pracích - třeba při výměnách některého zařízení nebo jeho součástí. Patří mezi ně jak vyměněné součásti (např. těsnění čerpadla nebo čidla z reaktoru), tak údržbářské pomůcky (nástroje, pracovní oděvy, rukavice aj.). I pevné radioaktivní odpady se ukládají do sudů.

Sudy naplněné kapalnými a pevnými radioaktivními odpady se umísťují do tzv. úložiště radioaktivních odpadů. Je to povrchový, od vnějšího prostředí odizolovaný, betonový objekt s jímkami, do kterých se ukládají ocelové sudy s bitumenovanými slisovanými nebo jinak upravenými nízkoaktivními odpady. V České republice se takové úložiště nachází v JE Dukovany a budou se sem svážet radioaktivní odpady i z Temelína.

11.2  Vyhořelé jaderné palivo

Po vyhoření je třeba palivo odstranit z reaktoru a nahradit je čerstvým. U reaktorů, jaké jsou v JE Dukovany a Temelín se postupuje následujícím způsobem. Jednou za rok se odstaví reaktor a vytáhne se z něj čtvrtina palivových tyčí. Jsou to ty tyče, které se nacházejí ve vnější části. Zbylé tyče se posunou na kraj a doprostřed se dá čerstvé palivo. Vyjmuté tyče jsou uloženy do bazénů vyhořelého jaderného paliva uvnitř kontejmentu. Zde jsou dochlazovány minimálně po dobu 3 až 5 let a poté jsou převezeny do meziskladu vyhořelého jaderného paliva. Zde je umístěno na 40 až 50 let čeká, co se s ním bude dít dál.

11.2.1  Vyhořelé jaderné palivo v České republice

V jaderné elektrárně Dukovany vznikne za plánovanou dobu její životnosti zhruba 1500 tun vahořelého jaderného paliva a jaderná elektrárna Temelín přidá během svého aktivního života asi 1300 tun. Zdálo by se, že tomu má být naopak, protože dva bloky temelínské elektrárny mají o něco větší výkon než čtyři bloky dukovanské, ale v Temelíně bude jaderné palivo užíváno efektivněji.

Když se v období let 1988 - 1991 rozplynuly plány vyvážet vyhořelé jaderné palivo na území Sovětského svazu (v roce 1991 dokonce ruský parlament skladování a ukládání vyhořelého jaderného paliva ze zahraničí zakázal zákonem), musela se rychle hledat vhodná lokalita pro výstavbu meziskladu vyhořelého jaderného paliva. Jednotlivé varianty byly posuzovány podle čtyř kritérií - technického, bezpečnostního, ekonomického a ekologického. Teoreticky by mezisklad mohl stát všude, kde nehrozí velké zemětřesení, záplavy, propad či sesuv půdy nebo výbuch v nějakém blízkém průmyslovém podniku. Z původních dvanácti lokalit byly za vyhovující vybrány čtyři: Skalka (okres Žďár nad Sázavou), Batelov (okres Jihlava) a areály jaderných elektráren Dukovany a Temelín.

Jako první byl dokončen a do zkušebního provozu v roce 1995 uveden mezisklad v JE Dukovany, jehož kapacita je usnesením české vlády č. 213 omezena na 600 tun vyhořelého jaderného paliva. Dnes aktivně funguje a naplněn bude v roce 2005.

Mezisklad je zjednodušeně řečeno hala, do níž se umístí kontejnery naplněné palivovými kazetami. Kontejnery jsou hermetické, nedochází z nich k úniku radionuklidů. V JE Dukovany a Temelín se používá kontejner Castor, který má několik funkcí. Hlavní z nich je bezpečně oddělit vyhořelé jaderné palivo od okolí a odstínit radioaktivní záření vznikající při přirozeném rozpadu produktů štěpení obsažených ve vyhořelém palivu. Další důležirou funkcí je odvod tepla uvolňovaného při zmíněném rozpadu. Kontejner zároveň zabezpečuje ochranu před vnějšími vlivy, které by mohly způsobit poškození paliva.

Kontejner Castor je odlit z jednoho kusu speciální tvárné litiny s vnitřním povrchem pokrytým vrstvou niklu, která ho chrání proti korozi. Tloušťka stěny je 37 centimetrů. Po založení palivových kazet a jejich zakrytí primárním víkem kontejneru je vnitřní prostor naplněn heliem zajišťujícím dobrý odvod tepla. Tento netečný plyn navíc brání oxidaci, tedy korozi povrchu palivových článků i stěny kontejneru, která by během několika desítek let mohla nastat, pokud by byl kontejner naplněn běžným vzduchem obsahujícím kyslík. Heliem je později vyplněn i prostor mezi primárním a sekundárním víkem kontejneru. Platí přitom, že mezi víky kontejneru je tlak vyšší než uvnitř kontejneru. Při jakékoli poruše těsnosti by pak tok plynů směřoval dovnitř kontejneru. O případných změnách tlaku mezi víky informuje signalizační zařízení obsluhu meziskladu - tímto způsobem je poměrně snadno zajištěna kontrola těsnosti.

Teplo, které zevnitř prostupuje na vnější povrch kontejnerů, je odebíráno přirozeným prouděním vzduchu. Ten se do skladovací haly dostává průduchy ve stěnách a poté, co ochladí povrch kontejnerů, začne stoupat vzhůru a mezisklad opustí otvory ve střeše.

Palivové kazety jsou v kontejneru Castor umístěny ve speciálním koši, který je udržuje v předepsaných vzdálenostech a brání jejich samovolnému pohybu. Každý kontejner pojme 84 palivových kazet z dukovanské elektrárny, tedy celkem asi 10 tun vyhořelého paliva. Na uložení plánovaných 600 tun paliva tak bude použito 60 kontejnerů. Naplněný kontejner má hnotnost kolem 120 tun. Jeho průměr je 2,6 metru a výška 4 metry.


Cesta do meziskladu začíná v reaktorové hale. Palivové kazety, které několik let po vyjmutí z reaktoru chladly v přilehlém bazénu, jsou jedna po druhé pod vodou přeloženy do kontejneru. Ten je po uzavření systému dvou vík vyzvednut z bazénu, vysušen, naplněn heliem a přenesen na speciální železniční vagón. Na něm je po kolejích vedoucích výhradně vnitřkem areálu elektrárny převezen do přijímacího prostoru meziskladu. Tam je z vagónu sejmut a po přípravě a kontrole uložen pomocí mostového jeřábu ne podlahu skladovací haly. Nakonec jsou zapojeny kabely monitorovacího systému, čímž proces uskladnění kontejneru končí. Naplnění, převoz a umístění jednoho Castoru trvá zhruba 10 dní. Většinu času ovšem zabere čekání na ustálení tlakových a tepelných poměrů uvnitř naplněného kontejneru. Teplota kontejneru zvenku je zhruba 60°C.


Vliv meziskladu na životní prostředí

Vlivy meziskladů vyhořelého paliva na okolí jsou minimální. Jediné, co mezisklad vydává, je teplo a záření. Z obou těchto projevů se nepochybně více bojíme právě toho druhého.

11.2.2  Vyhořelé jaderné palivo ve světě

V současnosti jsou ve světě pro skladování vysoce aktivních materiálů používány dva tecnologické postupy lišící se v zásadě pouze zvoleným chladicím médiem.


Mokrý způsob skladování využívá jako chladicího média většinou obyčejnou demineralizovanou vodu. K tomuto způsobu vedly rozsáhlé zkušenosti s provozem vodních bazénů umístěných u reaktorů. Vyhořelé palivo je při použití mokré metody ve zvláštních pouzdrech ponořeno do hlubokých skladovacích bazénů, jejichž silné vrstvy jsou pokryty vrstvou z nerezavějící oceli. Voda v bazénech odstiňuje radioaktivní záření natolik, že se personál může podél jejich okrajů bez obav pohybovat. Odvod tepla produkovaného vyhořelým palivem je zde zajištěn cirkulací chladicí vody, která je v tepelných výměnících opět ochlazována. Z technologického hlediska je vybudování a provoz mokrých meziskladů značně náročné, jelikož těsnost skladovacích bazénů musí být dostatečně zabezpečena. Také voda přicházející do styku s ochlazovanými kazetami s vyhořelým palivem musí být důkladně pročištěna. Vypuštění chladicí vody do životního prostředí by znamenalo únik radioaktivních látek mimo mezisklad. Tato možnost je však téměř vyloučena vzhledem k pečlivosti a promyšlenosti zabezpečení meziskladu.

Tuto metodu zvolily zejména severské země, nejvíce ji využívají Švédové. Protože mezisklady stojí prakticky na mořském pobřeží, přebírá uvolněnou energii mořská voda. Množství tepla opouštějícího mezisklad přitom není takové, aby se moře v okolí výpustí významně ohřívalo.


Suchá metoda využívá jako chladicího média vzduchu, jehož přirozené proudění odvádí teplo uvolňované vyhořelým palivem. To je nejčastěji umístěno ve speciálních pouzdrech, o nichž už byla řeč - kontejnerech, obvykle vyrobených z materiálů s dobrými těsnicími, stínicími a mechanickými vlastnostmi, například ze speciálních ocelí nebo litin. Bezpečnost kontejnerů je zajištěna tak, aby nemohlo dojít k úniku radioaktivních látek do životního prostředí. Každý typ kontejneru musí bez ztráty těsnosti přežít pád z jednoho metru na ocelový trn, půlhodinové žíhání plamenem o teplotě 800°C a test těsnosti v předepsaných hloubkách až do 200 m pod vodní hladinou. Mezi dodatečné testy patří pády z větších výšek na betonový podklad, srážka s jedoucí lokomotivou nebo ostřelování nábojem o hmotnosti jedné tuny (kterým je simulován náraz padajícího letadla).

Je samozřejmé, že obdobně je schopnost dostát všem bezpečnostním požadavkům zajišťována a ověřována i u ostatních skladovacích technologií, ať už založených na suché nebo mokré metodě skladování.

Na druhou stranu je logické, že mezisklady a kontejnery nejsou dimenzovány tak, aby odolaly tak extrémním vlivům, jakými by byly například intenzívní bombardování meziskladu, použití jaderné zbraně nebo pád velkého meteoritu. Bylo by to nesmyslné, protože katastrofy tohoto rozsahu by samy o sobě napáchaly nesrovnatelně větší škody.

11.3  Zneškodnění vyhořelého paliva

Jakkoli mohou vypadat projekty podobné ADTT poměrně nadějně, zůstává v tuto chvíli nejjistější metodou zneškodění vyhořelého paliva jeho hlubinné uložení. Vyhořelé palivo, které se do hlubinného úložiště dostane po čtyřiceti až padesátiletém skladování v meziskladech, zde bude uloženo společně s odpady vzniklými při přepracování vyhořelého paliva a dalšími vysoce radioaktivními odpady z jiných průmyslových odvětví a medicíny.

Konečná úložiště by měla zabezpečit, aby radionuklidy obsažené ve vyhořelém palivu nepronikly k člověku a do biosféry minimálně sto tisíc let, tedy po dobu potřebnou ke snížení radioaktivity vyhořelého paliva na úroveň přírodního pozadí. Jsou projektována jako systém vzájemně svázaných přírodních a technických bariér.

Nejdůležitější a nejtrvalejší bariérou by měla být sama geologická formace, v níž bude konečné úložiště vybudováno. Tato bariéra by měla být pevná, tepelně stabilní a nepropustná. Formace proto musí zejména splňovat kritéria seizmické stability, a proto se vybírá hornina, která se za posledních několik milionů let výrazně nezměnila, takže lze předpoládat, že její stabilita zůstane zachována i nadále. Jako vhodné formace se nejčastěji volí tufy, granity (žuly), solná ložiska, jílovité sedimenty a rulové horniny.

Technickými bariérami budou jak sama keramická struktura vyhořelého paliva, tak i matrice, v nichž budou radionuklidy chemickou cestou zpevněny. Ke znehybnění radionuklidů se většinou používá borosilikátové sklo nebo keramické materiály. Druhou bariérou by měly být kovové obaly - kontejnery na vysoce radioaktivní odpady, vyrobené z oceli, mědi nebo titanu. Třetí bariéru by měly tvořit jílovité materiály, jako například bentonit, jimiž budou kontejnery v úložišti obklopeny.

S vybudováním konečného hlubinného úložiště není třeba spěchat, neboť by byla prázdná po dobu několik desítek let, kdy vyhořelé palivo chladne v meziskladu, což by bylo velmi neekonomické. Některé mezisklady vyhořelého paliva jsou v zemích, které využívají jaderné elektrárny nejdéle, provozovány již více než dvacet let. Tomu odpovídá i příprava výstavby konečných úložišť, která např. v USA, Švédsku a dalších zemích značně pokročila. První konečná hlubinná úložiště by mohla být uvedena do provozu v letech 2 010 až 2 020.

Co se týče České republiky, lze obecně říci, že má pro výstavbu hlubinného úložiště vhodné podmínky, protože její území je z geogického hlediska velmi staré a stabilní. Podle současných odhadů by konečné úložiště mohlo být uvedeno do provozu po roce 2 030.