Zahraniční přístupy k hlubinnému ukládání

V zemích, v nichž se nahromadilo vyhořelé jaderné palivo a vysokoaktivní odpady, probíhá vývoj hlubinného úložiště různými způsoby. Jeden z rozdílů je v odlišném horninovém prostředí, což je do značné míry předurčeno geologickou situací území konkrétního státu. Ve světě se zkoumá několik typů hornin, u nichž lze v konkrétních geologických podmínkách předpokládat, že budou mít požadované vlastnosti. Výběr horninového prostředí (lokality) představuje dlouhodobé, a z technického a ekonomického hlediska velmi náročné práce. Na realizaci prací se podílejí převážně geovědní disciplíny, jako jsou geofyzika, geochemie, inženýrská geologie, hydrogeologie a další.

Jako hostitelské prostředí hlubinného úložiště byly ve světě zkoumány krystalické horniny (hlavně žula) a usazeniny (převážně jíly a solná ložiska). Ve všech těchto horninových prostředích byla ověřena možnost výstavby hlubinného úložiště a byla prokázána jeho bezpečnost. Ve Finsku, Švédsku, ale též v Japonsku se rozhodli pro žulu jako hostitelskou horninu. Ve Spojených Státech slouží v lokalitě Yucca Mountain jako hostitelská hornina tuf, zatímco úložiště WIPP u Carlsbadu je umístěno v solné formaci. O soli jako vhodné hornině pro umístění hlubinného úložiště diskutují v Německu, kde jsou solné formace velmi dobře probádány. Jílové formace přicházejí v úvahu ve Francii, Belgii nebo ve Švýcarsku. V České republice se dnes předpokládá vybudování hlubinného úložiště v žule.

Současná situace v zahraničí a některé zahraniční přístupy k hlubinnému ukládání jsou následující.

Země, které produkují vyhořelé jaderné palivo a vysokoaktivní odpady, lze rozdělit do tří skupin. Do první skupiny patří země, které svoji koncepci hlubinného ukládání rozpracovaly do té míry, že uvedení úložiště do provozu lze očekávat v horizontu 20-25 let, tj. do roku 2035. Jde o země, které již nalezly lokalitu pro hlubinné ukládání nebo jsou v pokročilém stádiu výběru vhodné lokality.

Obr. 1. Zkoušky v podzemní laboratoři Grimsel ve Švýcarsku

Díky zkušenostem z provozu podzemních laboratoří (viz např. obr. 1) mají zvládnuty otázky geologie, hornických prací, konstrukčního řešení a s tím spojené problémy bezpečnosti. Získaly většinou souhlas příslušných představitelů země a místních obyvatel s výstavbou úložiště. Do této skupiny patří např. Švédsko, Finsko, USA, Francie, Německo, Švýcarsko a Japonsko.

Dále následuje skupina zemí, kde vývoj hlubinného ukládání probíhal pomaleji. V těchto zemích ještě nedošlo k výběru vhodné lokality, neboť se velmi obtížně získává souhlas obyvatelstva s umístěním. Proto probíhá průzkum na studovaných lokalitách pouze v omezeném rozsahu a úložný systém se řeší jen na úrovni předběžného (referenčního) projektu úložiště na smyšlené lokalitě. Sem patří např. i Česká republika, Slovensko, Maďarsko, Belgie, či Španělsko.

Země třetí skupiny se rozhodly odložit konečné řešení na pozdější dobu, většinou po uplynutí 100 nebo více let. Mají k dispozici dostatečné skladovací kapacity anebo se chystají je budovat. Ve většině z nich nebyla ještě stanovena koncepce budoucího zacházení s vyhořelým jaderným palivem a vysokoaktivními odpady. Z evropských zemí zvolily tento přístup například Velká Británie, Nizozemsko a další země východní Evropy, které provozují jaderně energetická zařízení.

Švédsko

Ve Švédsku se provozuje 10 jaderných reaktorů, které v roce 2008 vyrobily 61 TWh elektrické energie, což představuje zhruba 42 % z celkového množství 146 TWh. Vyhořelé jaderné palivo se skladuje v centrálním skladu CLAB v blízkosti jaderné elektrárny Oskarshamn. Koncem roku 2009 se skladovalo více než 5 000 tun vyhořelého paliva.

Obr.2. Příprava hlubinného úložiště ve Forsmarku, Švédsko

Vývoj hlubinného úložiště v zemi probíhá již několik desetiletí. V jejich průběhu byla využívána podzemní laboratoř v Äspö, která sloužila k provedení všech zkoušek potřebných k prokázání bezpečnosti hlubinného ukládání v žulovém prostředí. Výběr lokality pro hlubinné úložiště vyústil v poslední době v detailní průzkum dvou lokalit, a to Forsmark v oblasti Östhammar a Oskarshamn. Jako konečná lokalita byla počátkem června 2009 vybrána Forsmark ( viz obr. 2 ). V roce 2010 bude podána žádost o povolení stavby, která by měla být zahájena v r. 2012 podrobnou charakterizací vybrané horniny, přičemž vlastní konstrukce úložiště by měla být započata v r. 2015. Žádost o povolení k provozu se předpokládá v r. 2019 a po souhlasu by mohlo dojít v r. 2020 k prvnímu zavážení vyhořelého paliva. Souběžně s výstavbou úložných prostor by se mělo zkonstruovat zařízení pro vkládání paliva do úložných kontejnerů (pouzder). Pokud jde o vyjmutelnost paliva, počítá se s ní v prvních deseti letech po zahájení provozu, poté by měla být situace detailně zhodnocena a následující činnosti by měly mít již charakter „ukládání navěky“.

Finsko

Ve Finsku představovala výroba elektrické energie ze 4 jaderných reaktorů (2,3 GW) celkem čtvrtinu (25,5 TWh) z celkové vyprodukované energie. Vyhořelé palivo se před uložením do hlubinného úložiště skladuje v mokrých skladech v areálu jaderných elektráren. Počátkem r. 2010 obnášelo jeho množství 1750 tun a očekává se, že v době uvedení úložiště do provozu v r. 2020 vzroste toto množství – bude-li spuštěna nová elektrárna - na 2500-2800 tun.

Obr. 3. Hloubení finské podzemní laboratoře ONKALO

Finské práce na vývoji hlubinného úložiště, které je lokalizováno v žulové hornině v lokalitě Olkiluoto, budou zahrnovat v období 2010-2020 hloubení podzemní laboratoře ONKALO (2010-2011, viz obr. 3), práce v podzemní laboratoři (2010-2014), přípravu hlubinného úložiště (2013-2014), stavbu zařízení pro umísťování paliva do pouzder (2015-2018), výstavbu úložiště (2015-2018), zkušební provoz (2019) a zahájení normálního provozu HÚ (II. pololetí 2020). Paralelně bude probíhat schvalování dokumentů. Podání žádostí o povolení výstavby úložiště a souhlas s provozem se předpokládají koncem r. 2012, resp. koncem r. 2018.

USA

Ve Spojených Státech je v současné době v provozu 104 energetických reaktorů, které produkují zhruba 20 % elektrické energie vyrobené v zemi. Vedle těchto reaktorů produkují vyhořelé jaderné palivo také reaktory výzkumné a vojenské. Do doby, než bude uvedeno do provozu hlubinné úložiště, se většina vyhořelého paliva z komerčních zdrojů skladuje v areálech jaderných elektráren. Komerční jaderný průmysl vyprodukoval do konce roku 2009 vyhořelého jaderného paliva v množství větším než 60 000 tU, přičemž ročně přibývalo 1 800-2 200 tU. Předpokládá se, že do roku 2055 by se mohlo nahromadit okolo 130 000 tU.

Obr. 4. Vstup do úložiště v Yucca Mountain v USA

Hlubinné úložiště se buduje v lokalitě Yucca Mountain (obr. 4), stát Nevada. Hostitelským prostředím je pyroklastická hornina – tuf – s velmi příznivými vlastnostmi pro budování úložných prostor. První část úložiště by měla sloužit k uložení 63 000 t komerčního paliva a 7 000 t paliva z vojenských programů. Za předpokladu, že se životnost jaderných elektráren v USA prodlouží o dvacet let, bude dalších 60 000 t paliva ukládáno v druhé etapě. Počítá se s ukládáním po dobu 50 let, přičemž během dalších 50 let bude probíhat kontrola, údržba a monitorování uvnitř a v okolí úložného systému.

Vedle zmíněného úložiště se v USA provozuje hlubinné úložiště WIPP (Waste Isolation Pilot Plant), poblíž Carlsbadu v Novém Mexiku, vybudované v solné formaci pro uložení radioaktivních odpadů s obsahem transuranových prvků. Do srpna 2008 zde bylo uloženo přibližně 56 000 m³ odpadů.

Obr.5. Manipulace se sudy v úložišti WIPP, USA

Francie

Ve Francii je v současné době v provozu 58 energetických reaktorů, z nichž téměř polovina používá jako palivo směs kysličníků uranu a plutonia (mixed oxide – MOX). Během první dekády tohoto století se vyrábělo v jaderných elektrárnách ve Francii okolo 420 TWh elektrické energie ročně; produkce vyhořelého jaderného paliva se pohybovala okolo 1150 tun za rok. Počátkem roku 2010 se ve Francii skladovalo okolo 41 000 tun vyhořelého paliva.

Toto vyhořelé palivo se zhruba ze tří čtvrtin přepracovává, přičemž závodem v La Hague a v Marcoulu prochází každoročně 850 tun vyhořelého paliva. Získané plutonium v množství okolo 100 t je pak zdrojem směsného MOX paliva. Vyhořelé jaderné palivo se skladuje stejně jako vyhořelé MOX palivo s vyšším obsahem plutonia, které by mohlo být využíváno v budoucnosti v pokročilých reaktorech čtvrté generace. Štěpné produkty obsažené ve vyhořelém palivu se zatavují do skelné hmoty a rovněž dlouhodobé středněaktivní odpady se upravují; výsledkem je 110-130 m³ vysokoaktivních odpadů a 120 m³ středně aktivních odpadů ročně.

Vývoj hlubinného ukládání ve Francii pokračoval v souladu se závěry publikovanými ve zprávě „Akta 2005 Jíl“(Dossier 2005 Argile), která popisuje dosavadní výsledky z provozu podzemní laboratoře v jílové formaci ležící na rozhraní distriktů Meuse a Haute-Marne v hloubce 445 m pod povrchem. V návaznosti na tuto zprávu byla v roce 2006 parlamentem schválena očekávaná koncepce v oblasti vývoje a výstavby hlubinného úložiště. Rozhodlo se, že systém musí být navržen tak, aby jej bylo možno měnit a upravovat a aby bylo možno vyjímat již uložené materiály. Státní agentura pro radioaktivní odpady ANDRA byla pověřena ukončit výzkumné práce do r. 2012, požádat o souhlas s výstavbou do r. 2015 a vybudovat HÚ v letech 2015-2020 a uvést je do provozu v letech 2020-2025.

Německo

Výroba elektrické energie v Německu dosahuje v současnosti 650 TWh, z čehož 170 TWh (26 %) připadá na provozované jaderné elektrárny o celkové kapacitě 21 GWe. Tyto elektrárny (včetně odstavených 9 zařízení) vyprodukovaly okolo 13 600 tun vyhořelého jaderného paliva. Jeho část byla zasílána k přepracování do Francie (5 400 tun) a Velké Británie (850 tun), přičemž zpátky do země se vracejí vysoce aktivní odpady. Přestože odesílání paliva k přepracování do zahraničí bylo v polovině r. 2005 pozastaveno, návrat vysokoaktivních odpadů bude pokračovat až do r. 2020.

Skladování vyhořelého paliva se v Německu uskutečňuje ve 3 centrálních skladech (Ahaus, Gorleben a Greifswald) a ve 12 skladech umístěných v areálech provozovaných jaderných elektráren. V centrálních skladech se nalézá okolo 720 tun, zatímco v areálech jaderných elektráren se skladuje přibližně 2950 tun. V Gorlebenu je kromě skladu v provozu závod na úpravu paliva před jeho definitivním uložením.

Hlubinné ukládání v Německu je předmětem široké debaty na celonárodní úrovni. Podle doplňku atomového zákona z r. 2002 by mělo být hlubinné úložiště vybudováno do r. 2030. Bylo rovněž rozhodnuto, že do hlubinného úložiště budou ukládány nejen vyhořelé palivo a vysokoaktivní odpady, ale i ostatní odpady z provozu a likvidace jaderných zařízení anebo odpady pocházející z výzkumu, medicínského a průmyslového využití. Atomový zákon ukládá, aby schvalování úložišť prošlo procesem EIA (posouzením vlivu na životní prostředí) a aby do schvalování byla zapojena veřejnost. Této podmínce vyhovělo úložiště v bývalém dolu na železnou rudu Konrad pro odpady nevyvíjející teplo, zatímco průzkum solného dolu Gorleben, vybraného ze 140 lokalit a podrobně studovaného v letech 1979-2000, byl na 10 let pozastaven.

Švýcarsko

Ve Švýcarsku zajišťuje 5 jaderných reaktorů elektrickou energii ze zhruba 40 % (cca 26 TWh). Ty jsou zdrojem vyhořelého jaderného paliva, jehož množství dosáhlo v současné době okolo 2000 tun. Do r. 2005 bylo vyhořelé palivo odesíláno do zahraničí k přepracování (celkem zhruba 1000 tun), od r. 2006 byla tato praxe zastavena na dobu deseti let. V závodě na zpracování a skladování radioaktivních odpadů (Zwilag) se skladuje jak vyhořelé palivo, tak vrácené vysokoaktivní odpady po přepracování.

Proces výběru lokalit pro hlubinné úložiště je rozdělen do tří etap. V první etapě, která v současnosti probíhá, se provádí průzkum šesti oblastí, které by podle geologických, technických a bezpečnostních kritérií mohly být využity pro výstavbu hlubinného úložiště. Ve druhé etapě se předpokládá detailnější průzkum těchto oblastí, v jehož závěru by mělo dojít k výběru nejméně dvou lokalit. Vedle technických a bezpečnostních aspektů by vybrané lokality měly být zkoumány z hlediska oblastního plánování a sociálně ekonomických podmínek v dané oblasti. Zapojeny by měly být širší veřejnost a především obce v dotčených regionech. Třetí etapa je věnována prohloubení geologických, technických a bezpečnostních poznatků o lokalitách s využitím vrtných prací. Na jejím konci, tj. přibližně v roce 2020, by měla švýcarská agentura NAGRA pro nakládání s radioaktivními odpady podat rámcovou žádost o výstavbu zařízení. Předpokládaný termín zahájení provozu ukládání nízko- a středně-aktivních odpadů by měl být rok 2030, pro vysokoaktivní odpady a vyhořelé palivo rok 2040.

Japonsko

V Japonsku je v provozu 53 jaderných reaktorů, které se na výrobě elektrické energie (1040 TWh/rok) podílejí z jedné čtvrtiny. Vyhořelé jaderné palivo se skladuje v mokrých skladech na sedmnácti různých místech. Před rokem 2001 byla část paliva (celkem 7 100 tU) zasílána k přepracování do francouzského Le Hague a britského Sellafieldu, nyní přepracování zajišťuje vlastní závod v Rokkashu. Z Francie a Velké Británie bylo do země vráceno 1 670 t vitrifikovaných vysoce aktivních odpadů. Tyto (a další z přepracování v Rokkashu) se mají skladovat 30-50 let před jejich konečným uložením. Na lokalitě je k dispozici sklad přijímající palivo k přepracování. Celkové množství skladovaného paliva obnáší 29 000 tU.

Obr. 6. Japonský stroj pro ražbu chodeb

Výběr lokality pro hlubinné ukládání je v Japonsku rozdělen do tří etap; první etapa (v současnosti probíhá) je zaměřena na plánování a studium existujících informací. Ve druhé etapě se provádí geologický průzkum včetně vrtných prací, ve třetí etapě se ověřují bezpečnost a technické aspekty na finální lokalitě a provádějí se detailní průzkumné práce. První etapa by měla být ukončena v r. 2012, druhá bude probíhat v letech 2012-2017 a třetí by měla být uzavřena v r. 2030. Následovat by měla výstavba (2030-2035) a provoz včetně schvalování (od r. 2035). Důležitou roli při řešení otázek bezpečnosti by měly hrát podzemní laboratoře v Horonobe (jílová formace) a Mizunami (žula). Na obr. 6 je znázorněn japonský stroj pro ražbu chodeb.

Belgie

V Belgii se provozuje 7 jaderných reaktorů o celkové kapacitě 6,0 GWe, které se podílejí na celkové výrobě elektrické energie téměř 58 % (78 TWh). Za předpokladu čtyřicetiletého provozu reaktorů by mělo vzniknout v Belgii vyhořelé jaderné palivo v množství okolo 5 000 tun. V současnosti toto množství obnáší 3 400 tun a skladuje se dočasně v areálech provozovaných jaderných elektráren. Část vyhořelého paliva byla přepracovávána ve Francii a do Belgie se vrátily vysokoaktivní odpady.

Obr. 7. Spojovací chodba u belgické podzemní laboratoře

Vývoj hlubinného ukládání v Belgii vstoupil již do čtvrté dekády. Během této doby byla na lokalitě výzkumného jaderného střediska v Molu zřízena podzemní laboratoř umístěná v jílové formaci (tzv. Boom clay) v hloubce 220 m pod povrchem. Její výstavba byla zahájena již v r. 1980 a později byla rozšiřována, přístup k ní zajišťují dvě šachty a spojovací chodba (obr. 7). I když definitivní výběr konečné lokality ještě nebyl uzavřen, uvažuje se o ní jako o vhodné pro vybudování úložného systému, v němž by měly být uloženy jak vyhořelé palivo, tak vysokoaktivní odpady, a to za využití 5 až 6 inženýrských bariér. V současné době se v Belgii připravuje národní koncepce zacházení s radioaktivními odpady, její schválení se předpokládá v roce 2010. Očekává se, že do roku 2015 by měla být vybrána vhodná lokalita a na ní provedeny ověřovací zkoušky. Práce by pokračovaly až do r. 2025, kdy by proběhlo schvalování záměru. Po výstavbě úložiště by mohl být v r.2030 zahájen normální provoz.

Španělsko

Na výrobě elektrické energie ve Španělsku se podílí 8 jaderných reaktorů o výkonu 7,71 GWe, jejichž podíl dosáhl 18 %. Vyhořelé jaderné palivo, jehož objem v r. 2009 obnášel 3800 tun, se skladuje nejprve v elektrárnách po dobu zhruba 10 let a poté se má převážet spolu s menším množstvím vysokoaktivních odpadů do centrálního skladu. V prosinci 2009 učinila vláda nabídku obcím umístit tento sklad, který představuje investici ve výši 700 miliónů eur, na svém území. Zařízení má být schopno skladovat cca 6 700 tun vyhořelého paliva, 2500 metrů krychlových dlouhodobých středně-aktivních odpadů a cca 12 m³ vysokoaktivních odpadů vzniklých přepracováním paliva z likvidované elektrárny Vandellos-1. Rozhodnutí o konečném uložení do hlubinného úložiště má padnout po roce 2010. Jako hostitelské horniny přicházejí v úvahu žula, jíly anebo solné formace.

Nizozemsko

V Nizozemsku se v současnosti provozuje jedna jaderná elektrárna o výkonu 482 MWe. Její produkce představuje zhruba 4 % z celkového vyrobeného množství (100,5 TWh). Vyhořelé jaderné palivo se zasílá do Francie k přepracování podle kontraktu, jehož platnost má vypršet v r. 2015. Výjimku tvořilo zbylé vyhořelé palivo po ukončení provozu jaderné elektrárny Dodewaard, které bylo k přepracování odesláno do britského Sellafieldu. Vyhořelé palivo se před odesláním do zahraničí skladuje při jaderné elektrárně Borsele (celkem 561 tun), ostatní odpady včetně vysokoaktivních se shromažďují ve skladu v průmyslové zóně ve Vlissingen-Oost (obr. 8), provozovaném nizozemskou agenturou pro zacházení s radioaktivními odpady COVRA.

Obr. 8. Sklad vyhořelého paliva a vysokoaktivních odpadů v nizozemském Vlissingen

Výzkumný program zaměřený na hlubinné ukládání byl zahájen v r. 1995 a v r. 2001 byly zveřejněny první poznatky o možnosti vybudování HÚ v solné nebo jílové formaci. Jelikož však vláda a parlament založily strategii zacházení s vyhořelým palivem na skladování po dobu minimálně 100 let, ukazuje se, že výběr lokality není v současné době urgentní.