Využívání jaderné energie je doprovázeno vznikem plynných radioaktivních odpadů, které ohrožují část životního prostředí - atmosféru.
Plynné odpady v palivovém cyklu jaderných elektráren
Plynné radioaktivní odpady, které obsahují radioaktivní plyny a aerosoly, vznikají v jaderných elektrárnách, závodech na přepracování vyhořelého jaderného paliva, při tepelném zneškodňování radioaktivních odpadů a v dalších jaderných zařízeních.
Atomy a molekuly radionuklidů mohou být přítomny jako plyn, páry a v koloidně-disperzní formě-aerosol. Podstatou radioaktivního aerosolu může být jen radioaktivní látka nebo to může být původně neaktivní aerosol, na kterém zkondenzovaly páry radionuklidu nebo jeho sloučeniny se na něj případně nasorbovaly.
RADIONUKLIDY V ODPADNÍCH PLYNECH
Ekologicky významné radionuklidy se vyznačují některou z následujících vlastností: snadnou šiřitelností (plyn, těkavá látka, vysoce disperzní aerosol), vysokou aktivitou (hlavně alfa), dlouhým poločasem rozpadu a radiotoxicitou. Lze sem zařadit 3H, 131I, 129I, aerosoly 239Pu, 241Am, 137Cs, 106Ru.
Radionuklidy mohou být toxické i ve velmi nízkých koncentracích. Radiotoxicita je úměrná poločasu přeměny a energii záření, metabolismu prvku, rychlosti jeho vylučování z organismu a závisí na radiologické charakteristice sloučeniny, případně i na její molekulové struktuře, je-li současně i chemicky toxická.
RADIONUKLIDY V PALIVOVÉ CYKLU
Palivový cyklus jaderných elektráren je znázorněn na obr. 1. V každém z jeho kroků vznikají radioaktivní odpady.
Těžba a úprava uranové rudy
Odsávaný vzduch z dolu obsahuje hlavně radon. Během drcení, mletí uranové rudy vznikají prachové částice obsahující 238U, 232Th, 226Ra, uvolňuje se radon a společně přecházejí do odsávaného vzduchu. Ve vzduchu odsávaném ze sušení uranového koncentrátu jsou radioaktivní prachové částice obsahující uran a členy jeho rozpadové řady.
Výroba jaderného paliva
Při výrobě oxidu uraničitého, tablet UO2 se dostanou do odsávaného vzduchu prachové částice obsahující UO2, z výroby UF4, UF6 přecházejí do odpadního plynu HF, F2, UF6, NH3.
Provoz jaderných elektráren
Plynné radionuklidy a radioaktivní aerosoly produkované během normálního provozu tlakovodního reaktoru jsou uvedeny v tab. 2.
V odpadním plynu z reaktoru a ve vzduchu z odvětrávání budov jsou zastoupeny štěpné produkty 85Kr, 133Xe, 131I, 3H, aktivační produkty 14C, 3H, aerosolové částice štěpných produktů 137Cs, 9OSr, 144Ce aj., aerosoly aktivačních produktů 60Co, 55Fe, 51Cr aj.. a aktinidů.
Ke zvýšenému vzniku radioaktivních plynů, par a aerosolů dochází při havárii reaktoru. V případě havárie lehkovodního reaktoru se vytvoří aerosoly kondenzací odpařených štěpných produktů a materiálu jádra reaktoru. Rozsah kontaminace závisí na velikosti a druhu havárie, vliv má povětrnostní situace v době havárie, roční období.
Přepracování vyhořelého jaderného paliva
Ve vyhořelém jaderném palivu jsou tři skupiny radionuklidů: štěpné produkty včetně jejich dceřinných produktů, aktivační produkty, aktinidy a jejich dceřinné produkty. Plynné radionuklidy a aerosoly se uvolní při řezání a rozpouštění vyhořelého palivového článku. Vyhořelé jaderné palivo se rozpouští v roztoku kyseliny dusičné a uvolňují se NOx.
Tepelné zpracování odpadů
Tepelné zpracování odpadů zahrnuje kalcinaci, vitrifikaci, bitumenaci a spalování. Při vitrifikaci vysoce aktivních odpadů z vyhořelého jaderného paliva unikají jako páry radionuklidy prvků Ru, Cs, Sb, Te, Se, Tc. Nejvýznamnější je 106Ru, 137Cs, také 99Tc pro dlouhý poločas rozpadu (2,12.105 let) a jeho výtěžek je významný.
Plyn z vitrifikace obsahuje aerosoly dalších štěpných produktů a aktinidů. Chemické formy par prvků Ru, Cs, Tc, Se, Sb a Te, teploty jejich vzniku a podíl přešlý do plynu jsou uvedeny v tab. 2. Při bitumenaci odpadní plyn obsahuje bitumen, oleje, vodní páru a aerosoly radionuklidů obsažených v odpadu. Při spalování radioaktivních odpadů obsahuje odpadní plyn neaktivní CO2, O2, H2O, HCl, SOx, NOx, HF, uhlovodíky, radioaktivní (např. 137Cs, 60Co) a neradioaktivní aerosoly.
Úložiště radioaktivních odpadů
Neaktivní i aktivní plyny se uvolňují z úložišť nízko-, středně- a vysoce aktivních odpadů. Při vzniku plynů se uplatňují tři mechanismy: koroze, radiační účinky, mikrobiální rozklad.
Korozí sudů, kovových materiálů v odpadu, radiolýzou vody v cementu vzniká H2. Radiačním rozkladem polymerních látek vzniká H2, COx, CHx. Mikrobiálním rozkladem polymerních látek vzniká v aerobních podmínkách CO2, v anaerobních podmínkách CO2, CH4.
Bitumenový produkt uvolňuje radiačním rozkladem H2, SO2, CO2, N2, mikrobiální aktivitou CH4. Vznik plynů má za následek botnání bitumenového produktu. Vznik tepla radiačním rozkladem může způsobit zahřátí odpadu až na 100 0C a dojde k vývinu vodní páry. Z radioaktivního odpadu se uvolňují radioaktivní plyny jako 129I, 14CO2, 85Kr, 222,220Rn, 14CH4. Poškozením technických bariér mohou plyny migrovat geologickými formacemi, které obklopují úložiště a dostat se do podpovrchové vody. V úložišti vznikají ve větším množství plynný vodík, metan a oxid uhličitý, ve stopových množstvích plyny 14CH4, CH3T, 14CO2, 85Kr, HT, těkavé organické látky (např. halogenované uhlovodíky a organické sulfidy), těkavé anorganické sloučeniny, např. H2S, Ni(CO)4, NH3.
ŠÍŘENÍ A MONITOROVÁNÍ
Na transport plynných radionuklidů a radioaktivních aerosolů působí proudění vzdušných mas i opačný proces - sedimentace.
Parametry, které ovlivňují šíření radioaktivních látek, jsou rychlost, směr, turbulence proudění vzdušných mas.
Sedimentace aerosolových částic má za následek znečištění půdy, povrchových vod. Vodní srážky způsobují intenzivní vymývání radioaktivních látek z atmosféry a jejich přechod na povrch. Radioaktivní látky se tak mohou dostat do potravinového řetězce..
Z hlediska globální disperze jsou nejdůležitějšími radionuklidy T, 14C, 85Kr, 129I, které vydrží dlouho v atmosféře. T a 85Kr se během doby průměrného lidského života z větší části rozpadnou a jimi způsobená kontaminace okolí značně poklesne. Naproti tomu 14C a 129I představují trvalé potencionální nebezpečí. V tab. 3 jsou uvedeny poločasy rozpadu radionuklidů a počet let, za které poklesne jejich aktivita na 1 % a 0,1 %.
Monitorování radionuklidů v ovzduší se provádí se na celém území státu a z výpustí jaderných elektráren. Radiační monitorovací sítí (RMS) se věnuje pozornost umělým radionuklidům 137Cs, 9OSr, 239 240Pu, 85Kr.
Z výpustí jaderných elektráren se měří 133Xe, 135Xe, 3H, 131I, 14C a aerosoly štěpných, aktivačních produktů a aktinidů. Nebyly zjištěny rozdíly mezi obsahem radionuklidů v ovzduší z okolí jaderné elektrárny a ostatního území státu. Výpustě z jaderné elektrárny Dukovany do ovzduší jsou velmi nízké, v roce 2002 měly obsah radionuklidů kolem 0,2 % autorizované hodnoty ročního limitu.
Provádí se také průzkum expozice obyvatelstva přírodními radionuklidy. Jedná se hlavně o expozici radonem a jeho produktů radioaktivního rozpadu ve vnitřním ovzduší staveb. Měření staveb je soustředěno do oblastí přepokládaného vysokého radonového rizika. Největší část ze zdrojů umělého a přírodního ionizujícího záření působícího na člověka představuje radon (44 %), z výpustí jaderných zařízení připadá jen 0,25 %, zejména díky technologickým postupům, které umožňují snížit koncentrace radioaktivních látek v odpadním plynu ze všech operací palivového cyklu jaderných elektráren na přípustnou míru.
AUTOR: František Kepák
Fakulta životního prostředí UJEP,
Ústí nad Labem
Přírodní zdroje plynných radionuklidů
Nejvíce se vyskytujícím plynným přírodním radionuklidem je radon, který vzniká rozpadem radia. Rozpadem radonu vzniká tak zvaný dlouhodobý depozit (RaDEF), který může vytvořit aerosol. Další přírodní plynné radionuklidy vznikají jadernými reakcemi způsobenými kosmickým zářením. 14C a 3H vznikají interakcí neutronové složky kosmického záření s atmosférickým dusíkem.
Vyskytují se jako CO2, H2O. Další z plynných radionuklidů, které vznikly v malých koncentracích jadernými reakcemi vyvolanými kosmickým zářením, jsou: 36Cl, 39Ar, 129I. Spontánním štěpením 232Th a 238U vzniká 85Kr.
Přírodní radionuklidy se dostávají do ovzduší také ze spalování uhlí v tepelných elektrárnách, spalování ropy, zemního plynu, výroby fosfátových hnojiv. Jsou obsaženy v popílku z tepelných elektráren.
Tab. 1 Významné radionuklidy uvolňované do atmosféry z jaderné elektrárny
s tlakovodním reaktorem
Radionuklid Forma Zářič Poločas rozpadu
3H plyn beta 12,3 let
14C plyn beta 5730 let
58Co/60Co aerosol beta, gama 71 dní/5,3 let
85Kr plyn beta 10,7 let
31I plyn/aerosol beta, gama 8,05 dní
133Xe plyn beta, gama 5,2 dní
134Cs/137Cs aerosol beta, gama 2,07 let/30,4 let
Tab. 2 Chemické formy par prvků vznikajících při vitrifikaci, teploty jejich
vzniku a podíl přecházející do plynu
Prvek Chemická forma Teplota vzniku (0C) Podíl přecházející do plynu (%)
Ru RuO4 75-110 až 20
Cs Cs, Cs2O, CsOH 400-500 1-10
Tc Tc2O5, TcO4 525-550 až 10
Tab. 3 Poločasy rozpadu a pokles aktivity
Radionuklid Poločas rozpadu (rok) Počet let, za které aktivita radionuklidu
poklesne na 1 % poklesne na 0,1 %
T 12,26 82 122
14C 5730 38 100 57 100
85Kr 10,76 72 107
129I 1,6.107 1,07.108 1,6. 108
Atomy a molekuly radionuklidů mohou být přítomny jako plyn, páry a v koloidně-disperzní formě-aerosol. Podstatou radioaktivního aerosolu může být jen radioaktivní látka nebo to může být původně neaktivní aerosol, na kterém zkondenzovaly páry radionuklidu nebo jeho sloučeniny se na něj případně nasorbovaly.
RADIONUKLIDY V ODPADNÍCH PLYNECH
Ekologicky významné radionuklidy se vyznačují některou z následujících vlastností: snadnou šiřitelností (plyn, těkavá látka, vysoce disperzní aerosol), vysokou aktivitou (hlavně alfa), dlouhým poločasem rozpadu a radiotoxicitou. Lze sem zařadit 3H, 131I, 129I, aerosoly 239Pu, 241Am, 137Cs, 106Ru.
Radionuklidy mohou být toxické i ve velmi nízkých koncentracích. Radiotoxicita je úměrná poločasu přeměny a energii záření, metabolismu prvku, rychlosti jeho vylučování z organismu a závisí na radiologické charakteristice sloučeniny, případně i na její molekulové struktuře, je-li současně i chemicky toxická.
RADIONUKLIDY V PALIVOVÉ CYKLU
Palivový cyklus jaderných elektráren je znázorněn na obr. 1. V každém z jeho kroků vznikají radioaktivní odpady.
Těžba a úprava uranové rudy
Odsávaný vzduch z dolu obsahuje hlavně radon. Během drcení, mletí uranové rudy vznikají prachové částice obsahující 238U, 232Th, 226Ra, uvolňuje se radon a společně přecházejí do odsávaného vzduchu. Ve vzduchu odsávaném ze sušení uranového koncentrátu jsou radioaktivní prachové částice obsahující uran a členy jeho rozpadové řady.
Výroba jaderného paliva
Při výrobě oxidu uraničitého, tablet UO2 se dostanou do odsávaného vzduchu prachové částice obsahující UO2, z výroby UF4, UF6 přecházejí do odpadního plynu HF, F2, UF6, NH3.
Provoz jaderných elektráren
Plynné radionuklidy a radioaktivní aerosoly produkované během normálního provozu tlakovodního reaktoru jsou uvedeny v tab. 2.
V odpadním plynu z reaktoru a ve vzduchu z odvětrávání budov jsou zastoupeny štěpné produkty 85Kr, 133Xe, 131I, 3H, aktivační produkty 14C, 3H, aerosolové částice štěpných produktů 137Cs, 9OSr, 144Ce aj., aerosoly aktivačních produktů 60Co, 55Fe, 51Cr aj.. a aktinidů.
Ke zvýšenému vzniku radioaktivních plynů, par a aerosolů dochází při havárii reaktoru. V případě havárie lehkovodního reaktoru se vytvoří aerosoly kondenzací odpařených štěpných produktů a materiálu jádra reaktoru. Rozsah kontaminace závisí na velikosti a druhu havárie, vliv má povětrnostní situace v době havárie, roční období.
Přepracování vyhořelého jaderného paliva
Ve vyhořelém jaderném palivu jsou tři skupiny radionuklidů: štěpné produkty včetně jejich dceřinných produktů, aktivační produkty, aktinidy a jejich dceřinné produkty. Plynné radionuklidy a aerosoly se uvolní při řezání a rozpouštění vyhořelého palivového článku. Vyhořelé jaderné palivo se rozpouští v roztoku kyseliny dusičné a uvolňují se NOx.
Tepelné zpracování odpadů
Tepelné zpracování odpadů zahrnuje kalcinaci, vitrifikaci, bitumenaci a spalování. Při vitrifikaci vysoce aktivních odpadů z vyhořelého jaderného paliva unikají jako páry radionuklidy prvků Ru, Cs, Sb, Te, Se, Tc. Nejvýznamnější je 106Ru, 137Cs, také 99Tc pro dlouhý poločas rozpadu (2,12.105 let) a jeho výtěžek je významný.
Plyn z vitrifikace obsahuje aerosoly dalších štěpných produktů a aktinidů. Chemické formy par prvků Ru, Cs, Tc, Se, Sb a Te, teploty jejich vzniku a podíl přešlý do plynu jsou uvedeny v tab. 2. Při bitumenaci odpadní plyn obsahuje bitumen, oleje, vodní páru a aerosoly radionuklidů obsažených v odpadu. Při spalování radioaktivních odpadů obsahuje odpadní plyn neaktivní CO2, O2, H2O, HCl, SOx, NOx, HF, uhlovodíky, radioaktivní (např. 137Cs, 60Co) a neradioaktivní aerosoly.
Úložiště radioaktivních odpadů
Neaktivní i aktivní plyny se uvolňují z úložišť nízko-, středně- a vysoce aktivních odpadů. Při vzniku plynů se uplatňují tři mechanismy: koroze, radiační účinky, mikrobiální rozklad.
Korozí sudů, kovových materiálů v odpadu, radiolýzou vody v cementu vzniká H2. Radiačním rozkladem polymerních látek vzniká H2, COx, CHx. Mikrobiálním rozkladem polymerních látek vzniká v aerobních podmínkách CO2, v anaerobních podmínkách CO2, CH4.
Bitumenový produkt uvolňuje radiačním rozkladem H2, SO2, CO2, N2, mikrobiální aktivitou CH4. Vznik plynů má za následek botnání bitumenového produktu. Vznik tepla radiačním rozkladem může způsobit zahřátí odpadu až na 100 0C a dojde k vývinu vodní páry. Z radioaktivního odpadu se uvolňují radioaktivní plyny jako 129I, 14CO2, 85Kr, 222,220Rn, 14CH4. Poškozením technických bariér mohou plyny migrovat geologickými formacemi, které obklopují úložiště a dostat se do podpovrchové vody. V úložišti vznikají ve větším množství plynný vodík, metan a oxid uhličitý, ve stopových množstvích plyny 14CH4, CH3T, 14CO2, 85Kr, HT, těkavé organické látky (např. halogenované uhlovodíky a organické sulfidy), těkavé anorganické sloučeniny, např. H2S, Ni(CO)4, NH3.
ŠÍŘENÍ A MONITOROVÁNÍ
Na transport plynných radionuklidů a radioaktivních aerosolů působí proudění vzdušných mas i opačný proces - sedimentace.
Parametry, které ovlivňují šíření radioaktivních látek, jsou rychlost, směr, turbulence proudění vzdušných mas.
Sedimentace aerosolových částic má za následek znečištění půdy, povrchových vod. Vodní srážky způsobují intenzivní vymývání radioaktivních látek z atmosféry a jejich přechod na povrch. Radioaktivní látky se tak mohou dostat do potravinového řetězce..
Z hlediska globální disperze jsou nejdůležitějšími radionuklidy T, 14C, 85Kr, 129I, které vydrží dlouho v atmosféře. T a 85Kr se během doby průměrného lidského života z větší části rozpadnou a jimi způsobená kontaminace okolí značně poklesne. Naproti tomu 14C a 129I představují trvalé potencionální nebezpečí. V tab. 3 jsou uvedeny poločasy rozpadu radionuklidů a počet let, za které poklesne jejich aktivita na 1 % a 0,1 %.
Monitorování radionuklidů v ovzduší se provádí se na celém území státu a z výpustí jaderných elektráren. Radiační monitorovací sítí (RMS) se věnuje pozornost umělým radionuklidům 137Cs, 9OSr, 239 240Pu, 85Kr.
Z výpustí jaderných elektráren se měří 133Xe, 135Xe, 3H, 131I, 14C a aerosoly štěpných, aktivačních produktů a aktinidů. Nebyly zjištěny rozdíly mezi obsahem radionuklidů v ovzduší z okolí jaderné elektrárny a ostatního území státu. Výpustě z jaderné elektrárny Dukovany do ovzduší jsou velmi nízké, v roce 2002 měly obsah radionuklidů kolem 0,2 % autorizované hodnoty ročního limitu.
Provádí se také průzkum expozice obyvatelstva přírodními radionuklidy. Jedná se hlavně o expozici radonem a jeho produktů radioaktivního rozpadu ve vnitřním ovzduší staveb. Měření staveb je soustředěno do oblastí přepokládaného vysokého radonového rizika. Největší část ze zdrojů umělého a přírodního ionizujícího záření působícího na člověka představuje radon (44 %), z výpustí jaderných zařízení připadá jen 0,25 %, zejména díky technologickým postupům, které umožňují snížit koncentrace radioaktivních látek v odpadním plynu ze všech operací palivového cyklu jaderných elektráren na přípustnou míru.
AUTOR: František Kepák
Fakulta životního prostředí UJEP,
Ústí nad Labem
Přírodní zdroje plynných radionuklidů
Nejvíce se vyskytujícím plynným přírodním radionuklidem je radon, který vzniká rozpadem radia. Rozpadem radonu vzniká tak zvaný dlouhodobý depozit (RaDEF), který může vytvořit aerosol. Další přírodní plynné radionuklidy vznikají jadernými reakcemi způsobenými kosmickým zářením. 14C a 3H vznikají interakcí neutronové složky kosmického záření s atmosférickým dusíkem.
Vyskytují se jako CO2, H2O. Další z plynných radionuklidů, které vznikly v malých koncentracích jadernými reakcemi vyvolanými kosmickým zářením, jsou: 36Cl, 39Ar, 129I. Spontánním štěpením 232Th a 238U vzniká 85Kr.
Přírodní radionuklidy se dostávají do ovzduší také ze spalování uhlí v tepelných elektrárnách, spalování ropy, zemního plynu, výroby fosfátových hnojiv. Jsou obsaženy v popílku z tepelných elektráren.
Tab. 1 Významné radionuklidy uvolňované do atmosféry z jaderné elektrárny
s tlakovodním reaktorem
Radionuklid Forma Zářič Poločas rozpadu
3H plyn beta 12,3 let
14C plyn beta 5730 let
58Co/60Co aerosol beta, gama 71 dní/5,3 let
85Kr plyn beta 10,7 let
31I plyn/aerosol beta, gama 8,05 dní
133Xe plyn beta, gama 5,2 dní
134Cs/137Cs aerosol beta, gama 2,07 let/30,4 let
Tab. 2 Chemické formy par prvků vznikajících při vitrifikaci, teploty jejich
vzniku a podíl přecházející do plynu
Prvek Chemická forma Teplota vzniku (0C) Podíl přecházející do plynu (%)
Ru RuO4 75-110 až 20
Cs Cs, Cs2O, CsOH 400-500 1-10
Tc Tc2O5, TcO4 525-550 až 10
Tab. 3 Poločasy rozpadu a pokles aktivity
Radionuklid Poločas rozpadu (rok) Počet let, za které aktivita radionuklidu
poklesne na 1 % poklesne na 0,1 %
T 12,26 82 122
14C 5730 38 100 57 100
85Kr 10,76 72 107
129I 1,6.107 1,07.108 1,6. 108
Zdroj:Odpady
Sdílet článek na sociálních sítích
