Ugrás a tartalomhoz

A nukleáris ipar hulladékkezelési kihívásai

Dr. Szűcs István (2013)

3.2. A közvetlen környezet (near field) elemei és folyamatai

3.2. A közvetlen környezet (near field) elemei és folyamatai

A közvetlen környezeten belül a műszaki gátrendszerek azért készülnek, hogy a radionuklidokat teljes mértékben a hulladékon belül tartsák egy bizonyos időtartamra, majd később szabályozzák azt az ütemet, mellyel a radionuklidok mobilizálódnak és kibocsátódnak a környező kőzetbe. A radioaktivitás gyors csökkenésének időszaka a hulladék típusától és ezzel összefüggésben a tárolt radionuklidoktól függ. Mindazonáltal a hosszú élettartamú hulladékok legtöbb csoportja esetén a néhány évszázados teljes mértékű tárolási idő alatt már jelentős mértékben csökken az aktivitás. Ezen az időn túl – hacsak nem lehet a hulladékokat évszázadokig vagy évezredekig tárolni – a radioaktív bomlás görbéjének lefutása azt mutatja, hogy már csak kevés előnnyel jár, ha megkíséreljük elérni a hosszabb teljes tárolási időt a közvetlen környezet műszaki gátjain belül, melyek, amint azt általánosan elismerik, előbb-utóbb úgyis tönkremennek. Sok egyéb olyan radionuklid felezési ideje, melyek viszonylag mozgékonyak a felszín alatti vizekben, annyira hosszú, hogy lehetetlen őket a műszaki gátrendszeren belül tartani; ezért ezek várhatóan szétszóródnak a környezetben, nagyon kicsiny koncentrációban, valamikor a távoli jövőben. Így hosszú távon a műszaki gátrendszer feladata az lesz, hogy késleltesse és szétszórja a mobil radionuklidokat, ha egyszer a tartály már tönkrement. Mindemellett sok hosszú életű radionuklid nem mozgékony, még a műszaki gátak tönkremenetele után sem, és várhatóan a közvetlen környezetben maradnak elegendő hosszú ideig ahhoz, hogy lehetővé váljon jelentős vagy akár teljes lebomlásuk.

E fejezet ismerteti azokat az anyagokat, melyek egy hosszú élettartamú hulladékok számára létesített geológiai tároló közvetlen környezetében megtalálhatók, azt a folyamatot, ahogy ezek kölcsönhatásba lépnek a környező kőzettel és a felszín alatti vízrendszerrel, illetve hosszú idők során lezajló átalakulásukat. Tárgyaljuk azokat a mechanizmusokat, melyek a műszaki gátak tönkremenetelét okozzák, beleértve a kondicionált hulladékokat, a radionuklidok mobilizálódását a közvetlen környezeten belül, valamint szállítódásukat a puffer- és tömedékanyagokon keresztül a környező kőzetig. A földtani környezet fizikai és kémiai tulajdonságai egyértelműen fontos szerepet játszanak e folyamatok irányításában. Különösen az a mód, ahogy a közvetlen környezet átalakul a lezárás előtt és után, határozza meg a műszaki gátrendszer működésének módját [76-79].

Egy geológiai tároló várhatóan sok éven át nyitva marad az elhelyezési műveletek időtartama miatt, illetve egyes esetekben még egy meghatározatlan ideig a hulladékelhelyezés befejezését követően is. A nemzeti programokban megkövetelhetik, hogy a hulladékok eltávolíthatók maradjanak, egyben valószínűleg könnyen hozzáférhetők is míg a döntéshozók nyugodtan határozhatnak a lezárásról. Alternatív eltávolíthatósági lehetőségként számba jöhet a tároló üregeinek részleges vagy teljes lezárása úgy, hogy a műszaki gátakat visszafordítható módon helyezik el. Az elhelyezési koncepciótól és a lezárási stratégiától függően, egyes időszakokban a tárolót építeni és tömedékelni is lehet, míg máskor a tömedékelést csak a végleges lezáráskor lehet végrehajtani. Így egy feltehetően több évtizedes időszakon keresztül megkövetelhető, hogy a tároló stabil maradjon és lehetőség legyen a fenntartásra és monitoringra. Ennek előfeltétele, hogy a tárolóüregeket stabil kőzetblokkokban alakítsák ki és hogy bármilyen szükséges biztosítórendszert a szükséges időtartamra tervezzenek (jóllehet van lehetőség a helyreállító karbantartásra).

Sok olyan földtani környezetben, ahol jelentős a felszín alatti vízmozgás, a tárolót szellőztetni és szivattyúzni kell, hogy szárazon tartsák egészen a lezárás időpontjáig, habár egyes, teljesen tömedékelt részein megindulhat a visszatöltődés, ahogy a hidraulikai gradiensek elkezdenek visszaállni és a felszín alatti víz megindul olyan területek felé, melyeket korábban lecsapoltak. Az elhelyezési koncepciótól függően a műszaki gátrendszer egyéb részei még nem érik el végleges kiépítettségüket vagy tulajdonságaikat hosszú időn keresztül. Példának okáért, a közepes aktivitású hulladékkal kitöltött kamrákat nem kell tömedékelni egészen a lezárásig, míg egyes koncepciók azt irányozzák elő, hogy az ilyen, nagy térfogatú térségeket sohasem kell teljesen tömedékelni.

Minden földtani környezettípus esetén, a nyitott időszakban a nyílt kőzetfelszínek kölcsönhatásba lépnek a létesítményeken átáramló, szellőztető levegővel. A kőzet kiszáradhat vagy oxidálódhat, és üledékekben egyes nem burkolt falú üregek megrepedhetnek és biztosítást igényelnek. Ha a szellőztető levegő a tároló melegebb részeitől a hidegebbek felé áramlik, a nedvesség vízként csapódik ki. Azokon a helyeken, ahol tápanyagokat szállító víz áramlik az üregekbe, mikroszkopikus élőlények kezdenek tevékenykedni és tenyészni. Az acél biztosítórendszerek korrodálódnak és karbantartást igényelnek, míg a cementfelületek részben karbonáttá alakulnak a légköri szén-dioxiddal való kölcsönhatás miatt. Mindezeket a folyamatokat monitorozni kell és hatásaikat figyelembe kell venni a teljes, lezárás előtti szakaszban.

A vízszint alatt található tároló lezárását követően a felszín alatti vízrendszer fokozatosan visszaáll és az egész rendszer újra telítődik. Minden, a csapdába esett levegőben maradt oxigén reakcióba lép a kőzettel és a műszaki gátak anyagaival, és az egész rendszer kémiailag redukálóvá válik. A mikroorganizmusok fontos szerepet játszhatnak a csapdába esett oxigén elfogyasztásában. A kőzetfeszültségek újra egyensúlyba jutnak és a litosztatikus nyomás áttevődik a műszaki gátrendszer elemeire, különösen a gyengébb befogadó kőzetekben, ahol omlás tapasztalható. Mindazonáltal a lerakók többségénél a közvetlen környezet viselkedésének fő meghatározója a műszaki gátakat közvetlenül körülvevő kőzetben lévő víz mennyisége, mozgása és összetétele lesz.

3.2.1. Tartályanyagok

Az elhelyezési koncepciótól függően, a kiégett fűtőelemeket és a nagyaktivitású hulladékot először általában fém (rendszerint vas vagy acél) tartályba, majd egy külső csomagolásba vagy dobozba teszik [6],[7] [8][9]. Rendes körülmények között csak a külső csomagolásnak van visszatartó funkciója a tárolóban történő elhelyezést követően. A belső vagy elsődleges tartály (pl. acéltartály, melybe a megolvadt üveget öntik) egyik szerepe, hogy elősegítse a kezelést azáltal, hogy biztosítja a szükséges mechanikai szilárdságot. Kiégett fűtőelemek esetében a rudakat egyenként kell hüvelyekbe rakni egy összetett anyagú tárolóedényben (vagyis belső tartály nélküliben).

A külső csomagolást arra tervezik, hogy hozzájáruljon a műszaki gátrendszer visszatartó képességéhez. Két koncepcionális megközelítési mód létezik:

  • A korróziót megengedő könnyen korrodálódó anyagok használatát jelenti (pl. lágyacél vagy öntöttvas) kellő vastagságban, hogy késleltessék a tartály tönkremenetelét néhány ezer évig, vagyis addig, míg a rövid élettartamú hasadási termékek a hulladékban elbomlanak. Itt a korróziós termékeknek lehet bizonyos kémiai gát szerepük (l. később).

  • A korróziót akadályozó anyagok esetén korróziónak ellenálló anyagokat használnak (pl. réz és titán ötvözeteket), melynek célja, hogy a víz hozzáférését sokkal hosszabb időre megakadályozzák (egészen 100000 évig), feltehetően egészen addig, míg a legmobilabb radionuklidok elbomlanak és a hulladék veszélyessége a természetes uránércéhez hasonló szintre csökken.

A geológiai elhelyezésre szánt tartályok általában lágy vagy rozsdamentes acélból, vagy betonból készülnek. A rozsdamentes acélt arra használják, hogy biztosítsák a hosszú távú stabilitást a tárolás során, megelőzve ezáltal az esetleges újracsomagolást a szállításhoz és lerakáshoz. A többgátas koncepciónál az ilyen hulladékok számára készült tartályoknak általában nincs akadályozó funkciójuk, még ha képesek is távol tartani a vizet a hulladékoktól sok száz évig. Egyes közepes aktivitású hulladékokhoz készült tartályokban gázszellőztetők is lehetnek, hogy elehetővé tegyék a korrózió vagy a lassú lebomlás során képződő gázok eltávozását anélkül, hogy a túlnyomás gondokat okozna.

A 3.2. táblázat röviden összefoglalja néhány tartályanyag előnyös és hátrányos tulajdonságát.

3.2. táblázat - Egyes tartályanyagok tulajdonságainak összehasonlítása


3.2.2. Tömedékanyagok

A tárolók tömedékelése szakaszosan történhet, egy időben elhúzódó folyamatként. A tároló különböző részein más és más anyagokat lehet használni, melyek különböző funkciókat látnak el, például lehetnek a műszaki gátrendszer gondosan megtervezett elemei közvetlenül a hulladékcsomagok körül, vagy egyszerűen csak tömeges kitöltés a hézagokban a tároló kevésbé kritikus részein [10]. A tömedékek természetes, átdolgozott anyagok (például agyag, beleértve a speciálisan előkészített bentonitot, melyet rendszerint máshonnan kell szállítani a tárolóhelyre) és összetört befogadó kőzetek lehetnek, mely utóbbiakat az üregképzés során nyernek (kősó, gránit, stb.) és elkülönítve vagy keverten használnak fel. Tömedékanyagként az összetört kőzet változatos keverékei jöhetnek szóba. Céljuk a tárolóban uralkodó fizikokémiai viszonyok (a kémiai összetétel, hővezető képesség és hidraulikai vezetőképesség) beállítása vagy szabályozása. A közepes aktivitású hulladékokat tartalmazó tárolók részeinek feltöltésére cementet és betont is lehet használni.

A vízzel telített kemény kőzetekben, kiégett fűtőelemek és nagyaktivitású hulladékok esetén a műszaki gátak erősen tömörített bentonitot tartalmazhatnak, mely pufferanyagként viselkedik a hulladéktartályok körül, akár vágatokban, akár pedig az elhelyezővágatok talpán mélyített üregekben. Ezt az anyagot gondosan kell előállítani, szigorú minőségbiztosítás alapján, minthogy ennek homogén és előre látható tulajdonságokkal kell rendelkeznie, hogy megfelelhessen az előírt funkcióknak, beleértve a hulladéktartály épségének megőrzését. Ilyen anyagokat a tömítettség megőrzésére is lehet használni a tároló kritikus területein. Az ilyen pufferanyagot meg kell különböztetni a vágatok, aknák és egyéb feltáró utak tömeges feltöltéséhez használt anyagoktól. Itt összetört kőzetet és homokot lehet használni, esetleg agyaggal keverve olyan helyeken, ahol különösen alacsony áteresztőképességre van szükség.

3.2.3. Építőanyagok

Nehéz elképzelni olyan geológiai tárolót, mely legalább bizonyos mennyiségű beton vagy más szokványos építőanyag felhasználása nélkül épülne. Azon túlmenően, hogy lehetővé tegyék a föld alatti építést, ezekre az anyagokra azért van szükség, hogy hosszú időre biztosítsák a megfelelő munkakörnyezetet. A betont az aknák és vágatok burkolására, vagy torkrétként a falakon és a főtéken lehet használni. A számottevő mélységi vízáramlással jellemezhető befogadó kőzetekben a repedések cement alapú péppel történő eltömésével korlátozni kell a víz belépését a nyitott föld alatti térségekbe, különösen a gyors beáramlások esetében, melyek gyakran a "csatornázódáshoz" kapcsolódnak. A cementre a kőzethorgonyok rögzítésénél is szükség van, hogy fokozzuk a tárolókamrák stabilitását.

A felhasznált építőanyagokat, a hulladékformákra vagy más műszaki gátakra, illetve a befogadó kőzet hosszú távú hulladékizolációs tulajdonságaira gyakorolt lehetséges hatásaikat a hosszú távú biztonság szempontjából kell értékelni. Különös figyelmet kell szentelni az olyan anyagoknak, például a beinjektált cementpépnek, melyeket lényegében már lehetetlen eltávolítani a tárolóból annak lezárása előtt.

3.2.4. A radionuklidok mobilizációja

A radionuklidok máris mobilizálhatóvá válnak, amint a hulladéktartályok megrepednek és a víz érintkezésbe kerül a hulladékkal. Az ehhez szükséges idő függ a tároló koncepciójától és a lezárást követő néhány évtizedtől (egyes egyszerű beton- vagy acéltartályban tartott, kis- és közepes aktivitású hulladékfajták esetében) évszázadokig vagy évezredekig terjedhet (a réztartályban lévő kiégett fűtőelemeknél). Amint azt korábban ismertettük, egyes radionuklidok már kiszökhetnek, amint a hulladék vízzel kerül érintkezésbe (pl. az ún. azonnal kibocsátott frakció a kiégett fűtőelem felszínén), de a radionuklidok nagy részének mobilizációja bármely hulladékanyag esetében attól függ, hogy a hulladék mátrixa milyen sebességgel oldódik a mélységi vízben. Ez viszont elsősorban a felszín alatti víz összetételétől és a radiolitikus folyamatok (nagyaktivitású hulladékok és kiégett fűtőelemek esetében) előfordulásától függ, melyek helyi oxidáló viszonyokat teremthetnek a hulladék felszínén. Sok hulladékforma esetében a felszín alatti víz már a telítettség közelében lehet egyes a mátrixban is jelenlévő elemekre nézve (pl. szilícium, alumínium és uránium a kőzet-víz egyensúlyi viszonyok eredményeként). Következésképpen az oldható hulladékanyag mennyisége mindig kicsi lesz, ha a felszín alatti vízben a viszonyok már természetes módon közel állnak a kémiai egyensúlyhoz. Ezen felül ha a folyamatokat a diffúzió irányítja, akkor az oldódás nagyon lassú lesz. A radionuklidok mobilizációját erősíthetik a mikroorganizmusok, melyeket a működési szakaszban juttatunk be az elhelyező rendszerbe. Értékelni kell a mikroorganizmusok tevékenységének a szigetelőgátak működésére és a radionuklidok migrációjára gyakorolt, potenciális hosszú távú hatásait. A vízszint alatti tárolók esetében az anaerob fajok lesznek a legfontosabbak, míg a vízzel telítetlen zónában az aerob fajok fognak dominálni a biológiai tevékenységen belül.

3.2.5. Gázképződés

A vas korróziója során képződő hidrogéngáz részben fel fog oldódni a környező műszaki gátak pórusvizében és kidiffundál a mobilis mélységi vízbe. Ha a kiáramlás üteme lassúbb, mint a gázképződésé, akkor a gáznyomás olyan értékre fog nőni, mely nagyobb, mint a környező kőzetben a víznyomás. Ahhoz, hogy a gáz egy bentonit pufferen át távozzon (ha van ilyen), a nyomásnak túl kell lépnie a kapillárisnyomást az anyag finom pórusaiban. A kapillárisnyomás, mely körülbelül azonos nagyságú, mint az agyag duzzadási nyomása, az agyag tömörítésének mértékétől függ és többször tíz bar nagyságú lehet. A gáz megtalálja útját az agyagon keresztül olyan mikroszkopikusan kicsiny kapillárisokban, melyek újra összezáródnak, amint a gáz távozott.

A gáz könnyen megszökik a repedezett beton vagy porózus cement tömedékelésen keresztül, de ha nincsenek repedések, akkor viszont a nyomásnövekedés közrejátszik a repedések kialakulásában.

Feltéve, hogy a gázképződés üteme megfelel a gázeltávozás ütemének, akkor a következmények a tároló közvetlen környezetének fizikai stabilitására nézve jelentéktelennek tekinthetők. Mindemellett helyspecifikus alapon értékelni kell a nagy mennyiségű hidrogéngáz felületekről való távozását, különösen, ha a távozás viszonylag rövid idő alatt zajlik le és csak a kőzet legfontosabb, kis számú vezető csatornája mentén összpontosul [11].