Ugrás a tartalomhoz

A nukleáris ipar hulladékkezelési kihívásai

Dr. Szűcs István (2013)

3. fejezet - A nukleáris létesítményekhez kapcsolódó radioaktív hulladékok geológiai elhelyezésének műszaki alapjai

3. fejezet - A nukleáris létesítményekhez kapcsolódó radioaktív hulladékok geológiai elhelyezésének műszaki alapjai

A radioaktív hulladékok geológiai tárolókban történő elhelyezésére vonatkozó ismereteket és tudományos megértésük jelenlegi helyzetét elemezve a már említett Technical Reports Series No. 413. jelű dokumentuma [IAEA 2003] (Scientific and Technical Basis for Geological Disposal of Radioactive Wastes) az alábbiakkal foglalkozik:

  1. A geológiai tároló koncepciójával és azokkal a különböző funkciókkal, melyeket egy tárolónak élettartama során várhatóan el kell látnia.

  2. A radionuklidok tárolása szempontjából fontos folyamatokkal, valamint egyéb olyan folyamatokkal, amelyek hatással lehetnek a különböző gátak hosszú távú integritására. Taglalja egyes lényeges kérdések hely- vagy koncepció-függő szempontjait is, és kijelöli azokat a területeket, amelyeken valószínűleg még további munkára lesz szükség az egyes geológiai tároló programoknál.

  3. A biztonsági rendszer központi szerepével, részletezve a biztonsági/működési értékelés alkalmazását a tároló létesítésének döntéshozatali folyamata során.

  4. Az ésszerű biztonság érdekében megszerzendő tudományos és műszaki ismeretekel, amelyek a javasolt helyszínnel vagy egy adott elhelyezési koncepcióval állnak kapcsolatban.

3.1. A geológiai tároló koncepciója

A radioaktív hulladékok mélyen fekvő, stabil földtani környezetben történő elhelyezésének célja a megfelelő szigetelés biztosítása, mind az emberi tevékenységgel, mind pedig a dinamikus természeti folyamatokkal szemben, hogy a radionuklidok kibocsátása a végső esetben is csak olyan alacsony koncentrációjú legyen, hogy az nem jelent veszélyt az emberi egészségre és a természeti környezetre.

Egy geológiai tárolórendszert a kondicionált és becsomagolt szilárd hulladékok, valamint más műszaki gátak kombinációjaként lehet definiálni egy kiképzett üregben vagy kifúrt tárolóban, amely néhány száz méter mélyen, stabil földtani környezetben található. Azt a földtani képződményt, melybe a hulladék elhelyezésre kerül, "befogadó kőzetnek" nevezzük és általában ez a legfontosabb izolációs gát. A különböző gátak együtt hatnak, kezdetben tárolják a radionuklidokat, lehetővé téve bomlásukat, majd később korlátozzák kibocsátásukat az elérhető környezetbe. A műszaki és földtani gátak kombinációját általában "többgátas" rendszerként ismerik [2]. Nyilvánvaló, hogy a többgátas rendszerek csak a tároló lezárása után érik el teljes hatékonyságukat. A lezárást úgy definiálják, mint olyan műveletek sorozatát, melyek a tároló valamennyi megtervezett gátjának beiktatásához valamint ahhoz szükségesek, hogy feltöltsék a föld alatti térségeket és lezárjanak minden kapcsolatot az elhelyezésre szolgáló zóna és a felszín vagy a környező képződmények között.

A geológiai elhelyezés alapelve, hogy a természetes és műszaki gátak kombinációjának a rövid élettartamú, magas aktivitású radionuklidokat teljesen vissza kell tartania, vagyis addig, míg radioaktivitásuk jelentéktelen szintre süllyed. E periódus általában néhány száz évtől néhány ezer évig tart. Mindazonáltal széles körű egyetértés van abban a tekintetben, hogy a tároló-koncepciók nagy részénél nem lehet bízni abban, hogy a hulladékban lévő, valamennyi hosszú élettartamú radionuklidot teljesen visszatartja. A NAÜ Radioaktív Hulladékkezelési Értelmező Szótára úgy definiálja a hosszú élettartamú radioaktív hulladékokat, mint olyanokat, melyek jelentős mennyiségben tartalmaznak harminc évnél nagyobb felezési idejű radionuklidokat [3], de rendszerint ennél sokkal hosszabb felezési idejű radionuklidokat tartalmaznak. Az ilyen radionuklidok teljes visszatartása érdekében a tárolórendszernek kivételesen hosszú ideig kellene működnie, és ezt nehéz demonstrálni sok elhelyezési rendszer esetében.

Következésképp egy geológiai elhelyezési rendszernek a lezárás után, a későbbiek során különböző időben különböző funkciókat kell ellátnia:

  • Szigetelés a felszínközeli folyamatoktól: mivel a hulladékokat távol tartja a felszínközeli környezettől, ezért azok védve lesznek az ott lezajló aktív folyamatoktól.

  • A bioszféra védelme: a bioszféra védve lesz a hulladékok radioaktivitásától, melynek csúcsa a lerakást követő első néhány száz évre esik.

  • Elzárás az emberi tevékenység elől: a hulladékok mélységi elhelyezése miatt kevésbé valószínű, hogy a jövőbeli emberi tevékenységek radioaktivitásnak való kitettséget eredményeznek, akár közvetlen (a hulladékok felszínre hozatala), akár közvetett (a hulladék komponenseinek különböző mobilizációja) módon.

  • Korai visszatartás: a rövid életű radionuklidok lényegében teljes visszatartása néhány száz vagy ezer évre, valószínűleg nagyrészt még a tároló műszaki gátjain belül.

  • A kibocsátások korlátozása: késlelteti és korlátozza azt a sebességet és koncentrációt, amely mellett a radionuklidok kiszabadulnak a fokozatosan tönkremenő műszaki gátrendszeren keresztül a földtani környezetbe, majd végül transzportálódnak a bioszférába. Ez fizikai és kémiai mechanizmusok kombinálásával érhető el, melyek – más funkciók mellett – korlátozhatják a felszín alatti vizek hozzáférését a hulladékokhoz és áramlását a tárolótól a bioszféra felé, továbbá korlátozhatják a radionuklidok oldhatóságát, reverzibilisen vagy folyamatosan szorbeálhatják vagy kicsaphatják őket a kőzetek és a műszaki gátak felszínén. Ezen túlmenően, a radioaktív bomlási folyamat fokozatosan csökkenti a tárolórendszerben lévő radionuklidok mennyiségét.

  • Szétszórás és hígítás: a hosszú élettartamú radionuklidok áramlása a földtani gát kőzetein keresztül három dimenziós szóródást jelent, mely erősen eltérő hidrogeológiai környezetekben játszódhat le. Egyes koncepciók és egyes javasolt tárolóhelyek esetében a kibocsátások nagy mélységben vagy a felszínközelben találkozhatnak nagy tömegű felszín alatti vizekkel, vagy hasonlóan nagy méretű felszíni víztestekkel. Ez egy további funkciót teljesít, azaz a kibocsátott radionuklidok általános hígítását úgy, hogy a bioszférába történő belépéskor a koncentrációjuk alacsonyabb lesz.

Egy javasolt lerakórendszer átfogó biztonsága és elfogadhatósága e funkciók egyensúlyaként érhető el, amely más és más minden egyes helyszín és koncepció esetében. E funkciók egyensúlyát gyakran "biztonsági koncepciónak" hívják.

Maguk a funkciók a megfelelő földtani környezet kiválasztásával érhetők el, melyekhez illeszkednie kell a tároló tervének és a műszaki gátak koncepcióinak, melyek kiaknázzák a környezet fő jellemvonásaiból származó előnyöket. Rendes körülmények között a mélységi elhelyezésre alkalmas környezet az alábbi tulajdonságokat mutatja:

  • Hosszú távú (több millió éves) földtani stabilitás, a kéregmozgások és deformációk, vetődések, szeizmicitás és hőáramlás tekintetében.

  • Alacsony víztartalom és -áramlás a tároló mélységének szintjében, melynek állandónak kell lennie legalább több tízezer éven keresztül.

  • Stabil geokémiai és hidrokémiai viszonyok a mélységben, mely elsősorban redukáló környezetet jelent és olyan összetételt, melyet a víz és a kőzetalkotó ásványok közti egyensúly szabályoz.

  • Jó műszaki tulajdonságok, amelyek lehetővé teszik a tároló könnyű megépítését és üzemeltetését évtizedekben mérhető időtartamra.

A jól megválasztott földtani környezet mintegy gubóként fog viselkedni a műszaki gátak körül, védve azokat a fizikai erők, vízáramlás és hidrokémiai hatások erős ingadozásaitól. E tulajdonságok nagyobb ingadozásai rendszerint a litoszféra olyan dinamikus övezeteinek viszonyaiból származnak, mint a tektonikusan aktív régiók, kisebb mélységben található kőzetek és felszín alatti vízrendszerek, melyeket könnyen és gyorsan érintenek az elkerülhetetlen éghajlati változások és a területfelhasználás megjósolhatatlan változásai. A mélyebben fekvő kőzetek rendszerint védve vannak ez utóbbi hatásoktól; a mélység növelése pufferként hat és időben kisimítja a felszínközeli zavarok hullámzásait. Ez a földtani gátnak egy különösen fontos funkciója, minthogy a „határviszonyok” hosszú távú stabilitása lehetővé teszi, hogy a tárolórendszer egyetlen olyan része, mely ténylegesen tervezhető és optimizálható (vagyis a műszaki gátrendszer) megjósolható módon működjön hosszú időn keresztül.

A világon sokfelé található olyan földtani környezet, mely alkalmas a hosszú élettartamú radioaktív hulladékok elhelyezésére. Ezek jellemzői igen változatosak lehetnek, és így a fent említett, szükséges tulajdonságokat különböző kombinációkban és különböző mértékben tudják biztosítani. Az alkalmas környezet rendszerint az alábbiak egyike:

Különösen alacsony áteresztőképességű kőzetek, melyekben az advektív felszín alatti vízáramlás lényegében kizárt. Ilyenek a tömeges sóüledékek, mint a sódómok és nagy rétegzett sóösszletek, valamint egyes plasztikus agyag és agyagkő képződmények. Az ilyen befogadó kőzetekben, fenntartva az adott geológiai stabilitást nincs olyan természetes folyamat, mely a radionuklid-kibocsátást a víz útján eljuttatná a környező földtani képződményekbe, kivéve a rendkívül lassú diffúziót a pórusvízben és a kristálylapok mentén, hacsak magának a tárolónak a jelenléte hátrányosan nem érinti a befogadó kőzet stabilitását. Mindazonáltal – minthogy fennáll ez a lehetőség – az ilyen befogadó kőzetek, mint potenciális tárolóhelyek értékelésének ki kell terjednie a környező tágabb földtani környezetre is, melyben advektív áramlás előfordulhat (pl. fedő és/vagy szomszédos víztartó képződmények).

Mélységi vízrendszerek, melyek tartósan és különösen alacsony természetes advektív áramlást mutattak évszázadokon vagy évezredeken keresztül vagy még tovább. Az ilyen rendszerekben a víz általában sós, és valószínűleg egyenletesen az, a felszín alatti vízrendszer nagyrészt stagnáló természete miatt, elválasztva a jelentősebb édesvíz-utánpótlástól. A víz kémiailag reduktív is lehet, mely a minimumra csökkenti a transzport lehetőségét sok radionuklid esetében.

Felszín alatti vízrendszerek, melyekben a kismértékű áramlás hosszú, a lerakó övezettől a potenciálisan elérhető felszín alatti vízrendszerig vagy a bioszféráig tartó szállítási útvonalakkal kombinálódik. Az ilyen környezetet vastag (több száz méteres), stabil telítetlen zónák (a vízszint feletti övezet) és lassú, nagy távolságú, a mélységi víztestben lévő migrációs útvonalak jellemzik. Ilyenek egyes tengerparti régiók telített kőzeteiben és tömeges üledékes medencékben is előfordulhatnak, ahol a beszivárgó talajvíz lassan mozog a nagyobb mélységek felé míg végül elvezetődik, esetleg a felszínközeli vizekkel való jelentős keveredés és hígulás után.

Az ilyen környezetekben, ha a tároló megépítése mind gyakorlatilag, mind pedig gazdaságilag kivitelezhető, és ha meg tudnak felelni a biztonsági előírásoknak, akkor a befogadó kőzet pontos jellemzői nem jelentenek befolyásoló tényezőt a helyszín kiválasztásában. Számos országban az utóbbi húsz vagy harminc évben szerzett tapasztalatok [4] azt mutatják, hogy elfogadható körülményeket lehet találni olyan változatos kőzettípusoknál mint a gránitok, metamorf alaphegységi kőzetek, plasztikus agyagok, erősebben megszilárdult agyagkövek, réteges evaporitok, sódómok, porózus vulkáni tufák, erősen tömörödött vulkáni tufák és különféle, erősen diagenizálódott üledékes vagy vulkanoszediment képződmények. sok éven keresztül elterjedt gyakorlat volt, hogy ezeket meglehetősen pontatlanul "kristályos kőzetek", "agyagos kőzetek", "kősók" és "vulkáni kőzetek" nevű csoportokba osztották. Bár ezt az idejétmúlt kategorizálás igen elterjedten használatos (minthogy kényelmes mód a kőzettulajdonságok általános csoportjainak leírására, ha a közeli és távoli folyamatokat írjuk le), hangsúlyozzuk, hogy megfelelő lerakókörnyezet számos kőzetváltozatban előfordulhat. A világszerte vizsgált földtani környezetek helyeit, a döntési folyamat állapotát, valamint a befogadó kőzettípusokat foglalja össze a 3.1. táblázat külön a rövid élettartamú kis és közepes aktivitású–, és a nagyaktivitású radioaktív hulladéklerakókra. Az utóbbiak kiakakítását megelőzően tervezett és létesítés alatt álló földalatti laborok (URL) mélységeiről és befogadó kőzettipusairól a 3.1. ábra ad tájékoztatást [5] alapján. (Megjegyzendő, hogy a hazai potenciális befogadó kőzet, a Bodai Aleurolit Formáció (BAF) un. α-vágatból történő felszín alatti vizsgálatai a mecseki uránbányászathoz kapcsolódóan, annak igen értékes "melléktermékeként" kezdődtek, és befejezésüket is a bányabezárások kényszerpályája határozta meg.)

3.1. táblázat - A szilárd radioaktív hulladékok geológiai elhelyezésének potenciális helyei és befogadó kőzettípusai


3.1. ábra - A szilárd radioaktív hulladékok geológiai elhelyezésének kutatására világszerte létesült földalatti kutató laboratóriumok (URL) a helyek, a befogadó kőzettípusok és a felszín alatti mélységek feltüntetésével.

3.1 ábra A szilárd radioaktív hulladékok geológiai elhelyezésének kutatására világszerte létesült földalatti kutató laboratóriumok (URL) a helyek, a befogadó kőzettípusok és a felszín alatti mélységek feltüntetésével.