Všechny části jaderného cyklu produkují radioaktivní odpady (RAO). Náklady na jejich management a odstranění jsou součástí ceny elektřiny, tj. jsou internalizovány. Hlavním cílem nakládání s RAO je ochránit lidi a životní prostředí. To znamená jejich izolaci nebo úpravu tak, aby aktivita nebo koncentrace jakýchkoliv radionuklidů navracených do biosféry ji neohrožovala.
Radioaktivita všech RAO se s časem snižuje. Každý radionuklid v odpadu má svůj poločas rozpadu - což je doba, za kterou se rozpadne polovina jeho atomů a tedy ztratí polovinu své radioaktivity. Radionuklidy s dlouhým poločasem rozpadu jsou většinou alfa a beta zářiče, což ulehčuje nakládání s nimi. Radionuklidy s krátkým poločasem rozpadu produkují častěji pronikavé gama záření. Všechny RAO se nakonec přemění na neradioaktivní prvky.
V zemích OECD vzniká každý rok přibližně 300 milionů tun nebezpečných odpadů, z toho je kolem 81 000 m3 RAO. V zemích, které mají jadernou energetiku, představují RAO méně než 1% celkového množství průmyslových nebezpečných odpadů.
TYPY RAO
Hlušina: Z tradiční těžby uranu vzniká jemná písčitá hlušina, která obsahuje přirozeně se vyskytující radioaktivní prvky, které doprovázejí uranovou rudu. Hlušina je shromažďována v úložištích a překrývána vrstvou jílu a dalších materiálů (případně i vodou). Po několika měsících materiály hlušiny už vykazují pouze 75 % radioaktivity původní rudy. Přesně řečeno, hlušina není považována za radioaktivní odpad.
Nízkoaktivní odpady (Low-level Wastes, LLW) vznikají v nemocnicích a průmyslu, stejně jako v jaderném cyklu. Zahrnují papír, hadry, nářadí, oděvy, filtry atd., které obsahují malé množtví radioaktivity, většinou s krátkým poločasem rozpadu. Tyto RAO jsou často lisovány nebo spalovány. Představují okolo 90 % objemu veškerých RAO, ale jen 1 % celkové radioaktivity.
Středněaktivní odpady (Intermediate-level Wastes ILW) obsahují větší množství radioaktivity a některé z nich se musí během manipulace odstiňovat. Obvykle jsou to pryskyřice, chemické kaly a obaly paliva, stejně jako kontaminované materiály z rozebírání reaktoru. Menší předměty a ne-pevné látky mohou být solidifikovány v betonu nebo bitumenu. Tyto RAO představují zhruba 7 % objemu a 4 % radioaktivity všech RAO.
Vysokoradioaktivní odpady (High-level Wastes HLW) vznikají při používání uranového paliva v jaderném reaktoru. Obsahují produkty štěpení a transurany, vznikající v reaktoru. Jsou vysoce radioaktivní a horké, vyžadují chlazení a odstínění. Lze je přirovnat k "popelu" z "hoření" uranu. HLW mají více než 95 % celkové radioaktivity vznikající v procesu výroby elektřiny v jaderné elektrárně. Do HLW řadíme odpady z konverze, obohacování a výroby paliva a odpady z vyhořelého paliva.
Koncentrát oxidu uranu po vytěžení a první úpravě, takzvaný "žlutý koláč" (U308), není významně radioaktivní - sotva víc, než žula, používaná při stavbě budov. Tento koláč se rafinuje a převádí na plyn hexafluoridu uranu (UF6). Ve formě plynu podstupuje obohacování na zvýšení obsahu U-235 z 0,7 % na přibližně 3,5 %. Poté je vyroben tvrdý, keramický oxid (UO2), z něhož se formují palivové prvky.
Hlavním vedlejším produktem obohacování uranu je ochuzený uran (depleted uranium, DU), v podstatě izotop U-238, který se skladuje jako UF6 nebo U3O8. Nyní je skladováno kolem 1,2 mil. tun DU. Část z něj se používá tam, kde je výhodná jeho vysoká hustota, jako jsou kýly jacht nebo vojenská munice. Používá se také (spolu s recyklovaným plutoniem) na výrobu směsného paliva a na ředění vysoce obohaceného uranu z rozmontovaných jaderných zbraní, který se pak používá jako palivo do reaktorů.
Odpady z vyhořelého paliva zahrnují buď samotné použité palivo v palivových tyčích nebo odpady, pocházející z přepracování paliva. V každém případě je jejich množství velmi malé: z typického velkého jaderného reaktoru vzniká za rok 25 tun použitého paliva nebo tři m3 vitrifikovaných odpadů. Tyto látky je třeba skladovat po desítky a tisíce let. Aby se zajistilo, že životní prostředí nebude těmito látkami ohroženo, používá se tzv. vícenásobná bariéra. Je to především imobilizace odpadů v nerozpustné matrici, jako je borosilikátové sklo nebo syntetický kámen (palivové pelety jsou z velmi stabilního keramického oxidu uranu, UO2). Imobilizované odpady se pak umístí do speciálních kontejnerů z nerez oceli. Ty se umístí v hlubokém podzemí ve stabilní skalní struktuře. Pokud je skladovací prostor vlhký, je kolem kontejnerů použita nepropustná výplň, jako je např. bentonitový jíl.
PŘEPRACOVÁNÍ PALIVA
Ve Velké Británii, Francii, Japonsku a Německu se použité palivo z reaktorů přepracovává. Palivo obsahuje vysoceradioaktivní štěpné produkty a některé transurany s dlouhým poločasem rozpadu. Tyto látky se z paliva izolují, což umožňuje znovupoužití uranu a plutonia. Izolované odpady se vitrifikují do borosilikátového skla (Pyrex), pak se v kontejnerech ukládají do podzemních úložišť. Tento materiál nemá žádnou myslitelnou budoucnost a je to bezpochyby odpad. Pokud se však použité palivo z reaktoru nepřepracovává a stále obsahuje všechny vysoce radioaktivní izotopy. Pak je nutné s celým objemem použitého paliva nakládat jako s HLW. Tento materiál produkuje mnoho tepla a vyžaduje chlazení. Jelikož však obsahuje poměrně velké množství uranu (a malé množství plutonia), představuje potenciálně závažný zdroj. Proto je stále ochota je odstraňovat bez předchozí úpravy.
V každém případě po 40-50 letech teplota a radioaktivita odpadů klesnou na tisícinu původní hodnoty. To otevírá cestu k enkapsulaci těchto odpadů a jejich uložení do trvalého úložiště.
RECYKLACE VYHOŘELÉHO PALIVA
Každé vyhořelé palivo stále obsahuje část původního U-235, stejně jako různé izotopy plutonia, vznikající v jádru reaktoru, a U-238. Celkem to odpovídá 96 % obsahu původního uranu a více než polovině původního obsahu energie. Při přepracování tohoto materiálu, které se provádí v Rusku a Evropě, se z odpadů separuje uran a plutonium, které je pak možno využít v jaderném reaktoru na směsné palivo MOX. Označuje se to jako "uzavřený cyklus paliva".
Plutonium vznikající při přepracování představuje pouze 1 % vyhořelého paliva. Mísí s ochuzeným uranem na palivo MOX. Evropské reaktory v současnosti využívají více než 5 tun plutonia za rok na MOX palivo, ačkoliv reaktory průběžně spalují většinu Pu, které kontinuálně vzniká v jádru reaktoru neutronovým záchytem. Plutonium vznikající v civilním jaderném cyklu není vhodné pro výrobu bomb, jelikož obsahuje příliš mnoho izotopu Pu-240.
Hlavní provozy na přepracování pracují ve Francii, UK, Rusku s kapacitou kolem 5000 tun za rok, kumulativně bylo za 50 let přepracováno kolem 80 000 tun. Francie a UK rovněž přepracovávají paliva pro jiné státy, zejména Japonsko, které provedlo od roku 1979 na 140 převozů vyhořelého paliva do Evropy. Vitrifikovaný odpad a znovuzískané U a PU (jako MOX) se vracejí do Japonska. Rusko přepracovává vyhořelé palivo ze zahraničí, pokud pochází z reaktorů postavených podle sovětských technologií.
Náklady na nakládání a odstraňování RAO z jaderných elektráren představují kolem 5 % celkových nákladů na výrobu elektřiny. Většina jaderných provozů musí mít pro tento účel zřízen fond. Například elektrárny v USA odevzdávají do svého fondu 0,1 centu za 1 kWh. Spotřebitelé elektřiny tak již odevzdali na 20 mld. dolarů.
ODSTRAŇOVÁNÍ VYHOŘELÉHO PALIVA A OSTATNÍCH HLW
V současnosti se skladuje na 270 000 tun vyhořelého paliva, většina z toho v reaktorech. Ročně přibývá kolem 12 000 tun a z toho 3000 tun se přepracovává. Je zřejmé, že není nutné urgentně hledat možnosti konečného odstranění těchto odpadů.
Odpady z přepracování paliva se musejí solidifikovat. Francie má dvě komerční zařízení na vitrifikaci HLW, které zbývají po přepracování vyhořelého paliva na MOX. Zařízení jsou také v UK a Belgii. Kapacita těchto zařízení je 1000 tun (2500 kontejnerů) za rok a některé z nich pracují již dvacet let. Pro prvních 30-50 let je vhodné skladovat vitrifikované odpady na povrchu, až se sníží teplota a radioaktivita. Trvalé úložiště proto bude potřeba až po uplynutí této doby. Proces hledání vhodného geologického úložiště probíhá nyní v několika zemích, první výsledky se očekávají kolem roku 2010. USA navrhly pro konečné úložiště místo v Nevadě, existují rovněž návrhy na mezinárodní trvalé úložiště v optimálním geologickém místě v Austrálii nebo Rusku.
Stále probíhá diskuze, zda má být zachována možnost vyzvednout odpady z trvalých geologických úložišť. Vedle eventuální možnosti využití musejí být brány v úvahu zejména otázky dlouhodobé bezpečnosti. Po uložení na zhruba 1000 let se radioaktivita odpadů sníží takřka na úroveň přirozeně se vyskytující uranové rudy, ale materiál bude koncentrovanější než tato ruda.
ODSTRAŇOVÁNÍ OSTATNÍCH RAO
Obecně se středněaktivní odpady s krátkým poločasem rozpadu (zejména z rozebírání reaktorů) skládkují, středněaktivní odpady s dlouhým poločasem rozpadu (z přepracování paliva) budou ukládány do podzemí. Nízkoaktivní odpady se ukládají na úložištích.
Některé nízkoaktivní kapalné odpady z přepracovacích zařízení se vypouštějí do moře. Tyto odpady obsahují některé snadno sledovatelné radionuklidy, zejména technecium-99 (někdy se používá jako značkovač při environmentálních studiích), a to může být rozpoznáno i mnoho set kilometrů od výtoku. Vypouštění těchto odpadů je regulováno a řízeno tak, aby maximální dávka radiace byla pouze zlomkem přirozeného pozadí.
Jaderné elektrárny a přepracovací zařízení vypouštějí do atmosféry také malé množství radioaktivních plynů (např. krypton-85 a xenon-133) a stopová množství jódu-131. Tyto látky mají krátký poločas rozpadu a radioaktivita emisí se snižuje zadržováním jejich vypouštění. První dva zmiňované plyny jsou navíc chemicky inertní. Vlivy těchto emisí na systémy jsou příliš malé, aby se daly zahrnout do analýzy životního cyklu.
Stojí za to poznamenat, že spalování uhlí produkuje kolem 280 mil. tun popílku ročně a většina z nich obsahuje nízké úrovně přírodních radionuklidů. Přinejmenším některé z nich by bylo možno klasifikovat jako LLW, jsou však prostě jen ukládány na úložištích.
ODPADY Z ROZEBÍRÁNÍ REAKTORŮ
U jaderných reaktorů je 99 % radioaktivity spojeno s palivem, které se při rozebírání reaktoru odstraňuje. Vedle povrchové kontaminace zařízení pochází většina odpadů z tzv. "aktivovaných produktů", což jsou například ocelové součásti, které byly dlouhou dobu vystaveny neutronovému záření. Jejich atomy jsou změněny na jiné izotopy, jako je železo-55, kobalt-60, nikl-63 a uhlík-14. První dva z nich jsou vysoce radioaktivní, emitují gama záření, ale jejich poločas rozpadu je odpovídajícím způsobem krátký: po 50 letech již nejsou nebezpečné. V odpadech také může být cesium-137. Většina těchto odpadů se ukládá na úložištích.
Zdroj: Uranium Information Centre Ltd (Melbourne, Austrálie), OECD NEA, IAEA
Opatření pro nakládání s vyhořelým palivem a ostatními RAO v různých zemích
