Nakládání s radioaktivními odpady

 V tomto článku se budeme zabývat nakládáním s jadernými odpady, což obnáší jejich zpracování, úpravu, skladování, ukládání a další činnosti. Výchozím právním dokumentem v této problematice pro Českou republiku je Atomový zákon a předpisy Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB), dále do ní značně promlouvá úřad Správa úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO). Nejprve nahlédneme do historie vzniku a zpracování radioaktivních odpadů, pak si je roztřídíme do jednotlivých kategorií a budeme se blíže věnovat nakládání s nimi. Zvláštní pozornost bude věnována úložištím radioaktivních odpadů, což je otázka velmi aktuální v souvislosti s nedávným plánováním průzkumu lokality Kraví hora.

Historie

S radioaktivními látkami se lidé setkali poprvé v hornictví. Již při těžbě různých rud se dostali do styku s látkami obsahujícími zejména uran, thorium a jejich dceřiné produkty rádium a radon. V té době si ale ještě nebyli vědomi, jak na ně a na životní prostředí působí. Ke změně došlo v 19. století po objevu radioaktivity, ale i poté lidé otázku vlivu radioaktivních odpadů na prostředí nijak neřešili. Do druhé světové války byly radioaktivní materiály využívány především k ozařování v lékařství.

Zlom přišel až s vojenským využitím radioaktivních látek a s ním spojený vznik většího množství radioaktivního odpadu. Hlavním producentem radioaktivního odpadu byla výroba plutonia v prvních jednoduchých jaderných reaktorech. Během štěpných reakcí vznikalo plutonium, transurany a jiné štěpné produkty. Poslední dvě jmenované látky byly právě podstatou prvních radioaktivních odpadů.

Z dnešního pohledu je pozoruhodné, jak vypadala výroba plutonia ve svých počátcích. Na okamžik se přeneseme do závodu poblíž amerického města Hanford ležícího na řece Columbia. Součástí tohoto zařízení bylo několik reaktorů na výrobu plutonia, které byly průtokově chlazeny upravenou vodou z řeky Columbia. Použitá voda byla zadržována po dobu tří dní v retenčních nádržích (umělá jezera s přirozeným odpařováním), v nichž se rozpadly radioizotopy s krátkým poločasem rozpadu, které představovaly většinu kontaminace vody. I tak ale do řeky unikalo množství radioaktivních látek, které mělo nezanedbatelný vliv na životní prostředí. Přišlo se na to dlouhodobým studiem povodí řeky Columbia a zjištění vedla k zavádění reaktorů s uzavřeným chladicím systémem.

Většina radioaktivního odpadu ale vznikala až při přepracování vyhořelého paliva. Podívejme se, jak se s těmito kapalnými radioaktivními odpady vypořádávali v Hanfordu a na dalších tehdejších přepracovatelských závodech ve Spojených státech a Sovětském svazu. Podobně jako dnes, i tehdy třídili provozovatelé radioaktivní odpady do tří skupin: vysoce aktivní, středně aktivní a nízkoaktivní, přístup k jednotlivým skupinám se však podstatně lišil. Nízkoaktivní odpady byly vypouštěny do vodních toků s tím, že zředění je dostačující faktor pro pokles radioaktivity. Toto počínání mělo negativní důsledky na okolní životní prostředí. Středně aktivní odpady, za něž byly považovány odpady ohrožující zaměstnance a životní prostředí, byly likvidovány řízeným vsakováním do zeminy. Docházelo přitom k zachytávání radionuklidů na jílových částicích půdy díky adsorpci a iontové výměně.

Konečně odpady, které radioaktivním rozpadem produkovaly teplo, byly považovány za vysoce aktivní a nesměly vůbec přijít do styku s životním prostředím. Ke skladování byly používány betonové nádrže s nerezovou vystýlkou o objemu kolem 3500 metrů krychlových a se životností 35 až 50 let. Bylo nutné tyto nádrže chladit a odvádět vznikající třaskavou směs plynů. Tento způsob ukládání vysoce aktivních odpadů byl používán ve všech zemích až do 70. let minulého století.

Výstavba betonových nádrží určených ke skladování vysoceaktivních radioaktivních odpadů v americkém Hanfordu v roce 1944. (Zdroj: Rosemerena.org)

Současné nakládání s radioaktivními odpady

Dnes nakládáme s radioaktivními odpady dost odlišně, například kapalné odpady jsou převáděny do pevné podoby, která je méně riziková pro skladování a ukládání odpadů. Normy pro vypouštění nízko aktivních látek jsou velice přísné, a tak je možné vypouštět do životního prostředí pouze látky, jejichž vypočtená dávka pro cílovou skupinu obyvatel představuje zlomek průměrné dávky z přírodního pozadí (číselně to vychází do 0,25 mSv/rok oproti 2,4 mSv/rok). Navíc ty nejaktivnější látky budeme ukládat do hlubinných úložišť s životností v řádu stovek let a ne jen do povrchových nádrží s životností desítek let.

Dělení radioaktivních odpadů podle aktivity

Radioaktivní odpady jsou děleny na přechodné, krátkodobé nízkoaktivní, krátkodobé středně aktivní, dlouhodobé nízkoaktivní, dlouhodobé středně aktivní a vysoce aktivní. Přechodné odpady jsou takové, jejichž aktivita po maximálně pěti letech skladování klesne pod stanovenou mez pro uvolnění do životního prostředí a lze je tedy uvolnit. Nízko a středně aktivní odpady obsahující pouze krátkodobé radionuklidy jsou ukládány v povrchových úložištích, ale obsahují-li větší množství dlouhodobých radionuklidů, je nutné je uložit do hlubinného úložiště (Za dlouhodobé radionuklidy jsou považovány látky s poločasem rozpadu 30 let a více). Jako poslední přichází na řadu vysoce aktivní odpady, pro něž připadá v úvahu pouze možnost uložit je do hlubinného úložiště. Do této kategorie patří například vyhořelé jaderné palivo a látky vzniklé při jeho přepracování.

U vyhořelého paliva se na chvíli zastavíme, protože to s ním není tak jednoduché. Prohlásit za odpad jej může pouze vlastník nebo SÚJB a dokud k tomu nedojde, nejedná se o odpad uložitelný v úložišti, ať už přípovrchovém nebo hlubinném. Potom mluvíme o tom, že vyhořelé jaderné palivo je skladováno, dokud nebude prohlášeno za odpad nebo dokud nebude přepracováno. Je v něm totiž stále přítomno mnoho radionuklidů v koncentracích, které v přírodě nenajdeme a které lze využít, je proto významným surovinovým a energetickým zdrojem.

Zdroje radioaktivních odpadů v ČR

V ČR jsou radioaktivní odpady zastoupeny především odpadem vzniklým během palivového cyklu jaderných elektráren, který začíná už těžbou uranu. Po těžbě zůstávají především haldy a odkaliště, které jsou kontaminované různými přírodními radionuklidy a jsou zdrojem plynného radonu. Odpady, které vznikly při těžbě a zpracování uranové rudy, tedy při hornické činnosti, jsou v současné době klasifikovány jako zdroje nerostů (nejsou to tedy úložiště), ale i tak jsou na ně v oblasti radiační ochrany osob kladeny stejné požadavky, jako na jiné zdroje ionizujícího záření. Další nízkoaktivní materiály vznikají při výrobě žlutého koláče (uranový polotovar) a mají podobu kalů, kapalných odpadů, filtračních materiálů a železného šrotu.

Nyní se dostáváme k samotnému provozu jaderné elektrárny, při němž není radioaktivním odpadem pouze vyhořelé palivo. Dochází i k ozáření chladiva, konstrukčních materiálů a ochranných obleků pracovníků. Největší množství radioaktivního odpadu ale vznikne při vyřazování elektrárny po ukončení jejího provozu. Množství odpadu uložitelného do hlubinného úložiště je odhadováno pro Dukovany na 2000 m³, pro Temelín na 625 m³, odpad uložitelný do přípovrchového úložiště pak bude představovat 6025 m³ v případě Dukovan a 4630 m³ v případě Temelína.

Dalšími významnými producenty radioaktivních odpadů jsou různé instituce pracující s radionuklidy, například laboratoře, pracoviště na výrobu radiofarmak, provozovatelé výzkumných reaktorů a provozovatelé zářičů pro technickou a léčebnou diagnostiku. Hlavním problémem je, na rozdíl od jaderných elektráren, rozptýlení radioaktivního odpadu na stovky míst po celé republice, díky čemuž jsou institucionální odpady považovány za nejrizikovější z hlediska nakládání s nimi a dozoru nad nimi. Navíc se tyto odpady velmi liší svou aktivitou a podobou, mohou to být radiofarmaka, chemikálie, biologický a technický odpad. Pro představu v roce 2010 bylo vyprodukováno přibližně 150 m³ institucionálního odpadu.

Graf objemu zpracovaných institucionální radioaktivních odpadů za poslední roky.

(URZ = uzavřené radionuklidové zářiče)

Zvláštní kategorií jsou materiály kontaminované přírodními radionuklidy, které nepocházejí z uranového průmyslu. Aktivita v těchto materiálech je přírodního původu a v některých případech překračuje povolené radiační limity. Jsou to především některé sklářské písky, fosfáty a keramické materiály, které bývají označovány jako NORM (Naturally Occuring Radioactive Material). Druhou skupinou označovanou jako TENORM (Technologically Enhanced Naturally Occuring Radioactive Material) jsou látky, v nichž se aktivita překračující limity nahromadí technologickým zpracováním, typicky popílek z uhelných elektráren. Zneškodňování těchto materiálů zpravidla probíhá tak, že jsou shromážděna na zabezpečené skládce a zakryta neaktivní zeminou.

Zpracování radioaktivních odpadů

V této části se budeme postupně věnovat různým skupenstvím radioaktivních odpadů, začneme těmi, jejichž zpracování je nejjednodušší, což jsou plyny. Plynné radioaktivní odpady jsou řízeně vypouštěny do atmosféry, protože jejich aktivita je nízká a splňuje normy. Většina plynných produktů štěpení jsou krátkodobé zářiče a v případě potřeby jsou na určitou dobu zadrženy a vypuštěny až po rozpadu nejaktivnějších radioizotopů. Některé látky, jako třeba radioaktivní izotop jódu, jsou vypouštěny přes zachytávající filtry. Stejný postup je používán pro všechny odpady v podobě aerosolů. Zkušenost nám ukázala, že aktivní plynné výpusti z jaderných elektráren jsou výrazně méně radioaktivní než výpusti z tepelných elektráren, z nichž je vypouštěno velké množství popílku obsahujícího mimo jiné uran.

Asi nejrozmanitější je situace s pevnými radioaktivními odpady, mezi něž se řadí například ochranné obleky a jiné pomůcky, filtry, experimentální materiál i kovové konstrukce a suť. Jednotlivé odpady se dost liší mírou kontaminace a možnostmi zpracování, proto je důležitým krokem jejich třídění. Hlavním krokem při zpracování těchto odpadů je zmenšení jeho objemu. Např. ochranné obleky je možné spalovat a ukládat pouze popílek, v němž zůstanou radioaktivní látky. Tímto způsobem je možné snížit objem radioaktivního odpadu o 95 až 99%. V České republice takový postup není uplatňován kvůli vysokým nákladům na pořízení speciální spalovny a přísným limitům na vypouštění do atmosféry, probíhá však provozní ověřování spalování ve švédské spalovně Studsvik. Podobným způsobem se pracovníci snaží zmenšit objem odpadu, který je nutno ukládat, i u nespalitelných odpadů. Pokud je materiál kontaminovaný pouze na povrchu, je možné kontaminovanou vrstvu obrousit či chemicky odleptat. A poslední redukce objemu přichází v případě lisovatelných odpadů, kdy lze dosáhnout snížení objemu dvakrát až pětkrát. Pevný radioaktivní odpad bývá uložen do dvousetlitrových ocelových sudů, které jsou poté zality cementovou směsí a uloženy do úložiště.

Experimentální vysokofrekvenční tavicí zařízení typu studený kelímek v ÚJV Řež, a. s.

Kapalné odpady představují nejrizikovější skupenství radioaktivních odpadů a vznikají ve všech zařízeních pracujících se zdroji ionizujícího záření. Kapalné odpady kontaminované krátkodobými radionuklidy jsou skladovány do doby, než aktivita klesne pod uvolňovací limity. Do této skupiny patří vodné roztoky, představující většinu kapalných radioaktivních odpadů. Ty většinou stačí čistit běžnými vodárenskými postupy, přičemž vzniká radioaktivní kal a klesá aktivita roztoku. Ostatní kapalné odpady (kaly, znehodnocené sorbenty, organická rozpouštědla a ropné produkty) je potřeba před uložením převést do pevné podoby. Používá se několik postupů, které jsou v zásadě dost podobné. Dochází k odpařování vody a fixaci suchých částeček do matric z různých materiálů. Nejběžněji se používají betonové směsi (potom proces zpevňování nazveme cementace), asfalt (bitumerace), sklo (vitrifikace) a keramické látky. Velice dobře jsou prvky vázány ve skelných matricích, ale vitrifikace je značně náročná, takže je používána téměř výhradně pro zpracování vysoce aktivních odpadů pocházejících z přepracování jaderného paliva. Cílem zpevňování kapalných odpadů je zvýšení dlouhodobé stability odpadu, což je důležité pro jejich ukládání.

Demonstrační bitumerační linka Frobit v ÚJV Řež, a. s., pohled na horní pracovní část. Toto zařízení slouží k odpařování vody z kapalného radioaktivního odpadu a fixace suchých částic do asfaltové matrice. Probíhá zde výzkum a technická podpora provozu bitumeračních linek na jaderných elektrárnách. Bitumerace je na českých jaderných elektrárnách nosnou technologií a probíhá při teplotách 160 až 180 °C.

Skladování radioaktivních odpadů

Skladování radioaktivních odpadů je proces, k němuž dochází ve všech fázích nakládání s nimi. Rozdíl mezi skladováním a ukládáním je, že ukládání je posledním krokem při zneškodňování radioaktivních odpadů a po ní již nedojde k manipulaci s obaly obsahujícími radioaktivní odpad.

Ukládání radioaktivních odpadů

Vhodné uložení radioaktivního odpadu zabraňuje jeho působení na životní prostředí, a to pomocí několika typů bariér. Hlavními jsou geologické, které dosahují úctyhodné stálosti stovek i tisíců let. Dále se používají inženýrské bariéry v podobě obalů radioaktivního odpadu, které se uplatňují především v počátečním období uložení, kdy je aktivita látek nejvyšší. Úložiště mohou být přípovrchová nebo hlubinná.

V České republice máme celkem čtyři přípovrchová úložiště, která jsou spravována SÚRAO a slouží k ukládání nízko a středně aktivních odpadů, které nejsou kontaminovány dlouhodobými radionuklidy. V areálu jaderné elektrárny Dukovany je provozováno úložiště tvořené železobetonovými jímkami s celkovou kapacitou 55 000 m³ (asi 180 000 sudů s radioaktivním odpadem). Životnost a kontrola tohoto úložiště je plánována na 300 až 500 let. Ochranné bariéry představuje kompaktní hornina s dobrými sorpčními a hydrogeologickými vlastnostmi a asfaltopropylenová izolační vrstva v jímkách spolu s matricí upravených odpadů a betonová směs, kterou je jímka zalita před uzavřením. Další úložiště má název Richard a bylo zřízeno v bývalém vápencovém dole u Litoměřic. Je určeno pro institucionální odpady a dnes je zaplněno 5200 m³ z celkových přibližně 8000 m³. Okolní vápenec udržuje nekorozivní prostředí a je dobrý absorbátor. Třetím českým úložištěm je Bratrství vzniklé v jednom z bývalých Jáchymovských uranových dolů. Je určeno pro institucionální odpady, při jejichž rozpadu se uvolňuje plynný radon, který je v uranových dolech přirozený. Úložiště má kapacitu 1000 m³ a je zaplněno z jedné čtvrtiny. Posledním českým úložištěm je Hostím v bývalém vápencovém lomu, který leží poblíž obce Srbsko. Toto úložiště je již zaplněno 330 metry krychlovými nízko aktivního odpadu a bylo uzavřeno v roce 1965.

Ukládání sudu pomocí portálového jeřábu do úložiště radioaktivních odpadů v Dukovanech. Takových jímek o rozměrech 5,3 x 5,4 x 17,3 metrů je tu celkem 112 a každá z nich pojme cca 1600 dvousetlitrových sudů.

Součástí dlouhodobé národní koncepce je vybudování hlubinného úložiště radioaktivního odpadu, v němž by byl ukládán vysoko aktivní odpad a odpad s vysokým podílem dlouhodobých radionuklidů. Počítá se s ukládáním nepřepracovaného odpadu, protože při objemu produkce odpadů v České republice by snížení objemu nevyvážilo finanční náklady na přepracování. V ČR vznikne přibližně 3700 tun vyhořelého paliva za dobu života obou jaderných elektráren a počítá se s uložením dalších asi 2700 m³ odpadů, které vzniknou při vyřazování jaderných elektráren z provozu. Než bude takové úložiště vybudováno (horizont přibližně 30 let), bude vyhořelé palivo skladováno v bazénech, kde je dochlazováno, a později přesunuto do speciálních kontejnerů s životností 45 až 50 let. V ČR je plánováno umístit úložiště do hloubky 500 až 1000 metrů a to do hydrogeologicky stabilní a kompaktní horniny (např. žula).

Plánování budování hlubinného úložiště je značně komplikováno faktem, že je nutné porozumět a analyzovat všechny procesy, k nimž může v uvažované lokalitě dojít během tisíců let. Po celou tuto dobu musí být zajištěno, aby se radionuklidy dostaly do životního prostředí jen v omezené míře, která výrazně neovlivní životní prostředí. K tomu musí dojít i při selhání některé z bariér, například vlivem zemětřesení, změny klimatu nebo chybou při konstrukci obalových souborů. Radionuklidům totiž nejde po tak dlouhou dobu zcela zabránit v proniknutí do životního prostředí ani za normálního scénáře bez zmíněných extrémů. Při posuzování vhodnosti úložiště se počítá i s tím, že za několik set let dojde nad úložištěm k založení zemědělské usedlosti, jejíž obyvatelé budou používat pouze místní kontaminovanou podzemní vodu, požívat plodiny vypěstované v této oblasti a zvířata chovaná tamtéž a krmená kontaminovaným krmivem. I v tomto případě musí být kontaminace životního prostředí natolik malá, aby tyto obyvatele negativně neovlivnila. Limity pro kontaminaci obyvatel jsou porovnávány s přírodním pozadím a musí být oproti němu zanedbatelné. Během let může dojít i k opravdu velkému zemětřesení, které se může zkombinovat s nefunkčností některé inženýrské bariéry. I s tímto je potřeba počítat a je dobré poznamenat, že bylo spočítáno, že i v tomto případě by dávka nepřekročila přirozené radiační pozadí.

Výpočet efektivní dávky z hypotetického úložiště za standardních okolností.

Efektivní dávka za předpokladu velkého zemětřesení a nefunkčnosti některých inženýrských bariér. Vidíme, že i za těchto velmi málo pravděpodobných předpokladů je výsledná dávka mnohem nižší než dávka, kterou člověk může obdržet z přírodních zdrojů záření (kosmické záření, radon – 2,4 mSv/rok).

Prošli jsme si jednotlivé kroky nakládání s radioaktivním odpadem a ujistili jsme se, že naše současná legislativa je v případě radioaktivních odpadů velmi striktní a stanovuje velmi náročné limity pro zpracovávání, skladování, ukládání a uvolňování radioaktivního odpadu. Všechna tato činnost je financována ze státního jaderného účtu, na nějž odvádí čeští původci radioaktivního odpadu stanovené finanční prostředky.

Zdroj:

Materiální Centra výzkumu Řež s názvy:

Zpracování a ukládání radioaktivních odpadů

Metody zpracování radioaktivních odpadů

Radioaktivní odpady