Ugrás a tartalomhoz

A nukleáris ipar hulladékkezelési kihívásai

Dr. Szűcs István (2013)

3.3. A távoli környezet (far field) gátjai és folyamatai

3.3. A távoli környezet (far field) gátjai és folyamatai

A földtani környezet három fő módon játszik szerepet az elhelyezés biztonságának növelésében:

  1. A hulladékokat fizikailag izolálja a felszínközeli környezettől és az ott előforduló, potenciálisan romboló folyamatoktól.

  2. Stabil geokémiai, hidrogeológiai és geomechanikai környezetet tart fenn, amely kedvező a műszaki gátrendszer megőrzése és működése szempontjából.

  3. Természetes gátként viselkedik, akadályozva a víz eljutását a hulladékokhoz és a mobilizálódott radionuklidok migrációját.

A három szerep viszonylagos fontossága nem egyforma az egyes elhelyezési koncepcióknál. Valójában jelentős különbségek lehetnek a befogadó kőzet természetének és a tároló terveinek függvényében. Így a kemény, kristályos kőzetekben létesített tárolónál valószínűleg az (a) és (b) lesznek a legfontosabbak, míg a kősóban vagy agyagos üledékekben található tárolónál várhatóan a (c) szerep dominál majd.

Ezeken túlmenően, a távoli környezet úgy viselkedik, mint egy stabil gubó, amely mind térben, mind időben elsimítja a felszínközeli folyamatok hatásait a mélység felé és könnyebbé teszi a hulladékok és a műszaki gátrendszer hosszú távú viselkedésének előrejelzését. Következésképp a távoli környezet úgy nyújt stabilitást a lerakórendszernek, hogy biztosítja, a lerakó övezetben a folyamatok rendkívül lassan zajlanak le, így a műszaki gátak fizikai és kémiai környezetének változásai kicsik lesznek évszázadok vagy évezredek hosszú során át.

Részletesebben kifejtve, a stabilitást az alábbi, szükséges jellemzők szempontjából lehet definiálni:

  • Az olyan tektonikai és exogén folyamatok vagy események hiánya vagy nagyon csekély valószínűsége, amelyek számottevő változásokat okozhatnának a befogadó kőzetben évszázados vagy évezredes időtávlatban (pl. vetődés, vulkanizmus, kiemelkedés és erózió).

  • A befogadó kőzet és a mélységi vízáramlás ne legyen érzékeny a jelentős éghajlati változásokra és a velük kapcsolatos eseményekre, mint például ha a helyszínt jégtakaró vagy víz fedi be, illetve örökfagy alakul ki.

  • Geotechnikai szempontból stabil kőzettömeg, mely állandó feszültségmezővel jellemzett területen található, lehetővé téve olyan üregek kiképzését, melyek elég nagyok a szükséges vágatok és kamrák elhelyezéséhez néhány száz méteres mélységben.

  • Kis energiájú felszín alatti vízrendszer, mely létrejöhet az alacsony hidraulikai gradiensek különböző kombinációjával egy nagy területen, számottevően hosszú idő alatt is csekély utánpótlódással (ami összefüggésben lehet a terület nagyon hosszú időtartamú éghajlati stabilitásával), valamint a befogadó kőzet és/vagy a környező képződmények alacsony hidraulikai vezetőképessége révén; az ilyen rendszerekben általában nagyon idős mélységi víz van a tároló szintjében.

  • Kémiai viszonyok, melyeket – vízzel telített zónában tervezett tároló esetében – a felszín alatti víz és a kőzetalkotó ásványok közötti egyensúly szabályoz és pufferel, redukáló közegben.

A stabilitás szélsőséges esetében a távoli környezet olyan tulajdonságokkal rendelkezik, melyek lényegében nem változnak évmilliókon keresztül, nem zavarja meg őket a tároló jelenléte és ezek következtében a tároló mélységében lévő felszín alatti víz gyakorlatilag stagnál. Ilyen környezetben egy egész egyszerű műszaki gátrendszer is elegendő lehet, minthogy lényegében minden szükséges tárolóképességet a földtani gát biztosít.

Minthogy ilyen ideális lerakókörnyezet sok országban nem található, ezért szükséges a visszatartó képesség növelése a tároló közvetlen környezetében, amibe ugyanúgy beletartozik egy megbízható műszaki gátrendszer tervezése, mint a hulladékcsomagolások és pufferek. A fő ok, amiért kifinomultabb műszaki gátakat tartanak szükségesnek az, hogy számos mélységi vízrendszer, különösen a repedezett kőzetekben, viszonylag dinamikus néhány száz méter mélységben is. Így a geológiai tároló programoknál nagy hangsúlyt fektetnek a felszín alatti vízáramlási rendszer jellemzésére, hogy értékelhessék a közvetlen és a távoli környezet viselkedését.

3.3.1. A felszín alatti vizek szerepe a radionuklidok szállításában

A tároló közvetlen környezetéből oldatként, a talajvízzel kiszabaduló radionuklidok belépnek a pórus- és repedésrendszerbe, és diffúzióval vagy advekcióval transzportálódnak. Ahhoz, hogy a diffúzió fontos szerepet játszhasson a transzport során, a kőzeteknek szélsőségesen impermeábilisaknak kell lenniük 10-12 m/s nagyságrendű hidraulikai vezetőképességgel, vagy az advekciót gerjesztő hidraulikai gradiensnek kell elhanyagolhatónak lennie. Ilyen alacsony hidraulikai vezetőképesség csak az agyagos kőzetek egyes csoportjainál figyelhető meg, melyekben a pórusok összeköttetése igen korlátozott és minden meglévő repedés eltömődött a mélységben uralkodó feszültségviszonyok alatt.

Sok tárolókoncepció esetén, különösen ha kristályos kőzetet választunk lerakó közegként, a víz kőzetrepedéseken keresztüli advekciója a radionuklidok döntő transzport mechanizmusa. Ez azt jelenti, hogy a repedésrendszerek természetét és hidraulikai tulajdonságaikat jól meg kell érteni. A 3.3. táblázat részletes adatokat tartalmaz különböző fontosabb befogadó kőzetekről és azokról a jellemzőikről, amelyek fontosak a felszín alatti víz cirkulációja és a radionuklid-transzport szempontjából.

3.3. táblázat - A fontosabb befogadó kőzetek és azok radionuklidok szállítást befolyásoló jellemzői


3.3.2. Oldatos szállítás

Bármelyik, a tárolóból kibocsátott radionuklidnak rendes körülmények között át kell jutnia a befogadó kőzetközegen, mielőtt beléphet a repedéshálózatba vagy a közeli víztartó rétegekbe, például üledékes fedőbe. Kristályos környezetben azok a kőzetblokkokat, melyekben a radionuklid-migrációt a mátrix tulajdonságai szabják meg, törések határolják le. Üledékes környezetben a kőzetmátrix folytonos marad nagy távolságokon át, kisebb törések előfordulhatnak, míg a hidraulikai határviszonyokat a nagyobb léptékű törések szabják meg.

3.3.2.1. A kőzetmátrix tulajdonságai

A kőzetmátrixok egyedi, általában kicsiny kristályokból állnak, melyeket gyakran mikroszkopikusan kicsiny pórusok vagy mikrorepedések választanak el egymástól, összefüggő pórushálózatot alkotva. A mátrix porozitása erősen változó a különböző kőzettípusoknál. Az üledékes kőzeteknek, azaz a kősónak, agyagkőnek és lágy agyagoknak a porozitása néhány százaléktól néhányszor tíz százalékig terjed. A kristályos kőzetek, mint a gránitok és gneiszek porozitása sokkal kisebb, rendszerint 0,1 és 0,5 % közé esik. Mindazonáltal a transzportfolyamatok meghatározó tényezője inkább a pórusok összeköttetése, és nem a porozitás.

3.3.2.2. Repedések és törészónák

A konszolidálódott kemény kőzetek jelentős fezsültségeknek és a feszültségmezők változásainak voltak kitéve hosszú földtani idők alatt. A feszültségek különböző nagyságú töréseket hoztak létre. Nagyon nagy léptékben vannak fő törészónák, melyek néhány száz méter szélesek is lehetnek és több tíz kilométeren át vagy még messzebb követhetők. Ezek légifelvételeken is láthatók. A nagyobbak gyakran láthatók a térképeken és a levegőből, mivel völgyek és meredek lejtők létrehozásával befolyásolják a topográfiát.

A fő törészónák körvonalazzák a nagy kőzettesteket, melyek általában kisebb törészónákat tartalmaznak. Ezek sorban lehatárolnak olyan kőzettömböket, melyek egyre kisebb blokkokból állnak, melyeket viszont egyre kisebb törészónák választanak el egymástól. Végül a kis törészónák néhány repedés csoportjából állnak, melynek vastagsága néhányszor tíz centiméter. Az egyes repedések közti távolság néhányszor tíz centiméter és néhányszor tíz méter között változik, esetleg még nagyobb, a kőzettípustól és a helytől függően. A törések és a repedezett zónák, ha nem tömik el másodlagos ásványkiválások, vízvezető helyet jelentenek a vízáramlás és az oldatszállítás számára. A repedéseket eltömítő anyagok általában mállási termékekből állnak, például agyagásványokból, vagy kémiai kiválással halmozódnak föl, mint a kvarc vagy karbonátok. A repedéskitöltések jelentősen befolyásolják az áramlási útvonalak hidraulikai tulajdonságait és az oldatok vándorlását.

3.3.3. Hidrogeológia és vízmozgás

3.3.3.1. A víz áramlása

Vízzel telített körülmények között a felszín alatti vízáramlás mozgatóereje a hidrosztatikai nyomásgradiens. Azt a módot, ahogy a víz a kőzeten keresztül mozog, annak hidraulikai tulajdonságai szabják meg. Permeábilis és homogén kőzetben a vízáramlás a Darcy-törvény szerint zajlik és könnyen megjósolható. Repedezett kőzetekben minden vagy a legtöbb áramlás a repedésekben vagy repedezett zónákban történik. A tömör kristályos kőzetekben és a kompakt agyagos kőzetekben a mátrix hidraulikai vezetőképessége olyan kicsi, hogy a vízáramlás elhanyagolható. A porózusabb üledékes kőzetekben és tufákban a víz a repedések közti kőzetmátrixban is tud mozogni. A repedezett kőzetekben az áramlást sokkal nehezebb részleteiben is leírni.

A leszálló vizek övezetében a vízmozgás, melyet alapvetően a gravitáció irányít, általában összetettebb és változékonyabb. A geológiai tárolók szempontjából a telítetlen közegbeli áramlás csak akkor bír jelentőséggel, ha az elhelyezés zónája a vízszint felett van, vagy ha meg akarjuk ismerni a felső övezeteket is, mint potenciális migrációs útvonalakat.

3.3.3.2. A vízben történő szállítás útvonalai

Számos, a geológiai elhelyezés céljából tanulmányozott környezetben a repedések és a repedészónák jelentik a vízmozgás útvonalait. Az egyes repedésekben és repedészónákban a hidraulikai tulajdonságok nagyon változóak. Az egyes elemek hidraulikai áteresztőképessége jellemző módon több nagyságrenddel változik, ha egy közeli másik ponton nézzük, ugyanazon az elemen belül. A vízáramlás nagy része a diszkontinuitásnak abban a részében fog végbemenni, ahol az áteresztőképesség a legnagyobb. Az ilyen, adott egyedi repedés síkjában található útvonalak más repedések más útvonalaihoz kapcsolódnak, a vízvezető „csatornák” komplex háromdimenziós hálózatát alkotva. A helyszíni kutatásoknál gyakorlatilag lehetetlen az összes fontos vízáramlási útvonalat pontosan kijelölni, viszont a megállapított áteresztőképességek sztochasztikus tulajdonságait fel lehet használni olyan modellek kidolgozására, melyekben a várható jellemzőket (áteresztőképesség, áramlási sebességek és a radionuklidok utazásának ideje), illetve ezek várható változásait meg lehet becsülni [12], [13] .

3.3.3.3. Csatornázódás

Mivel az egyes repedések áramlási és szállítási tulajdonságai rendkívül nagy változékonyságot mutatnak, ezért valószínű, hogy a repedezett kőzetekben vannak a tárolóból az elérhető környezetig vezető, összekapcsolódott gyors útvonalak. Ezt gyakran csatornázódásnak hívják. A csatornázódásnak az egyes gátak működésére vagy a tároló általános biztonságára gyakorolt lehetséges hatásait, ezek számszerűsítését jelenleg is intenzíven vizsgálják.

3.3.4. Vízkémia és kémiai késleltetés

1.3.4.1. Kémiai ülepedés és szorpció

Az oldatok számára a szabadon mozgó víz a fő szállító közeg, beleértve a radionuklidokat is. Mindazonáltal a radionuklidok reakcióba léphetnek a kőzetanyagokkal nagyon változatos módokon és többségük sokkal lassabb ütemben mozog, mint a víz. Az alacsony fluxusú területeken a víz sebességének kevés hatása van a radionuklidok többségének migrációjára. Egy kevés radionuklid, különösen az anionos formájúak (például a jód és klór izotópok) csak kevéssé lépnek reakcióba a kőzetekkel és a vízáramlással megegyező sebességgel migrálnak. Mindazonáltal a többségük esetében a kőzettel való kölcsönhatás szabja meg a mozgás sebességét. A kölcsönhatás mind fizikai, mind pedig kémiai, az utóbbi okozza a legerősebb késleltető hatást. A felszín alatti víz sótartalma szintén hatással van a késleltetésre; ezért döntő fontosságú a víz-kőzet rendszer kemizmusának megértése a radionuklid-vándorlás megbízható becsléséhez.

3.3.4.2. Kőzet- és vízkémia

Az előzőekben már összefoglaltuk néhány gyakori befogadó kőzet tulajdonságait a felszín alatti vizek cirkulációja és a radionuklid-transzport szempontjából, Most ismertetünk néhány további szempontot, amelyek speciális jelentőséggel bírnak a tágabb környezet viselkedésével kapcsolatban. A kőzetben lévő víz általános összetételét, pH-ját és redox (Eh) tulajdonságait a víz és a kőzetalkotó ásványok közti kölcsönhatás puffereli. Mivel a víz jellemzően hosszú ideig tartózkodik a kijelölt befogadó kőzetben, a víz és az ásványok között geokémiai egyensúly áll fenn. Nagyon fontos azoknak a folyamatoknak a megértése, melyek szabályozzák a vízkémiát, mert ez lehetővé teszi fejlődésének előre jelzését a tároló által bejuttatott idegen anyagok jelenlétében. Különféle végbemenő folyamatok eredménye a kémiai egyensúly lesz, például a kőzetalkotó ásványok feloldódása és a másodlagos ásványok kicsapódása esetében. Természetes viszonyok között a reakciók igen kis intenzitásúak; a mobilis anionok, főleg a Cl- vízbeli koncentrációja, valamint a hőmérséklet határozza meg. Az alacsony sótartalmú vizek általában lúgos körülményekhez vezetnek, míg a magasabb sótartalmú vizek közel semleges, vagy kissé lúgos viszonyokat eredményeznek. A néhány száz méteres mélységben található víz minden esetben múltbeli csapadékból származik. Az oxigén, mely eredetileg jelen volt a meteorikus vízben, elfogyott a víz-kőzet kölcsönhatásokban. Az Eh értéket rendszerint a II és III oxidációs állapotú vasásványok jelenlétével állapítják meg. Kétértékű vasat tartalmazó ásványok számottevő mennyiségben találhatók a kemény kőzetekben, gyakran egy százaléknál nagyobb mennyiségben. Így a mélységi földtani környezet alapvetően redukáló állapotú.

A szabályozó mechanizmusok fontos szerepet játszanak a kémiai összetétel stabilizálásában és lehetővé teszik az olyan körülmények megismerését, melyek között a radionuklidok várhatóan vándorolni fognak. A víz oldatos összetétele változhat, a mobilis anionok koncentrációjának függvényében. A kationok között általában a nátrium és a kalcium dominál; a ritkább elemek, mint a kálium, magnézium és a vas, tág határok között ingadozhatnak, de mindig egyensúlyi koncentrációban a kőzetalkotó ásványokkal. Általánosságban a radionuklidok migrációja szempontjából a pH, az Eh, az ionerősség (az oldott ionok össz-koncentrációja) és a karbonát-tartalom a felszín alatti víz legfontosabb jellemzői.

Csekély áramlás esetén, kemény kőzetekben a felszín alatti vizek összes sótartalma a mélységgel növekszik. Nagy mélységben nagyon sós vizeket, lényegében sóoldatokat lehet találni. Ez azt jelzi, hogy a vizek nagyon sokáig tartózkodtak ott; ezen kívül azt is jelezheti, hogy valószínűleg csak nagyon csekély mozgásra kell számítanunk a jövőben is.

3.3.4.3. A másodlagos ásványok szerepe a késleltetési folyamatban

A mélyben fennálló egyensúlyi viszonyok között a kőzetalkotó ásványok csak igen kevéssé oldódnak a felszín alatti vizekben, vagy azért mert nem tudnak érintkezésbe lépni, mint a kősó esetében, vagy mert geokémiailag stabilak. Mindemellett, stabilitásuk ellenére bizonyos átalakulások lezajlanak, különösen a repedezett zónák mentén és egyéb olyan övezetekben, ahová az áramlás összpontosulhat. Bizonyos körülmények között a talajvizek átmenetileg mélyen behatolhatnak a kőzetbe. A talajvízben feloldott anyagok reakcióba léphetnek olyan másodlagos ásványokat képezve, mint például az agyag- és a vas-oxihidroxid ásványok. A másodlagos ásványok kedvező hatással lehetnek a radionuklidok visszatartására, mivel általában jelentős szorpciós kapacitással rendelkeznek.

A mélységben az átalakulás igen lassú folyamat, még földtani időtávlatokban is, mert itt csak a repedésekben van – a kőzet térfogatához mérten – csekély vízmozgás, és mert a reakcióképes anyagok csak kis koncentrációban találhatók meg a vízben. Ezért a kőzet kémiailag nagyon stabil és a tároló mélységében napjainkban megfigyelhető viszonyok várhatóan lényegében változatlanok maradnak a hosszú életű radioaktív hulladékok számára készített tároló szempontjából érdekes idő alatt. Mindazonáltal a működési értékelések során gondosan kell elemezni ezt az előfeltevést, különösen, ha a tároló jelenléte olyan fejlődési forgatókönyvet mutat, mely az elhelyezési zóna viszonyainak változásával járhat.

3.3.5. Szállítódás felszín alatti vizekkel

3.3.5.1. Advekció és diszperzió

Az oldatokat a mozgó víz továbbítja a különböző vízvezető útvonalak mentén, melyek a kőzetben megtalálhatók. A repedezetlen porózus kőzetekben az áramlás a pórusokban zajlik, de a víz még ezekben a kőzetekben sem mozog szükségszerűen azonos sebességgel minden útvonalon. Repedezett kőzetek esetében a víz sebességében az útvonalak közt fennálló eltérések és a megtett távolságok különbözősége sokkal nagyobb különbségeket okoz az advekció sebességében. Ez azt eredményezi, hogy a különböző útvonalak mentén az oldatvándorlás ideje széles tartományban ingadozik, melyet általában diszperziónak neveznek.

3.3.5.2. Anyagátvitel víz és kőzet között

Az áramlási útvonalak mentén a víz által szállított oldatok utat találnak a környező kőzetmátrix pórusaiba, véletlenszerű mozgás vagy molekuláris diffúzió révén. Ezt nevezik mátrixdiffúziónak. A mátrixban a teljes víztérfogat rendszerint nagyobb, mint az áramló víz térfogata. Sok alacsony porozitású kőzetben a víz gyakorlatilag stagnál a pórusokban. Az oldott anyag, mely elérte a mátrix pórusaiban stagnáló vizet, viszonylag nagy térfogatú vízbe fog diffundálni, és így átmenetileg elhagyja az áramló oldatot. Ez a tisztán fizikai hatás jelentősen közreműködik a radionuklidok vándorlási idejének meghosszabbításában.

3.3.5.3. Szorpció és késleltetés

A radionuklidok a vízben ionos formában vagy töltetlen komplexekként vannak jelen. A potenciális befogadó kőzetek többségében a kőzetalkotó ásványok negatív felszíni töltésűek a mélységben uralkodó kémiai viszonyok között. A pozitív töltésű anyagok az ellentétes révén hozzákötődnek a felszínekhez és az ásványszemcséket körülvevő strukturált vízmolekulák nagyon vékony rétegében koncentrálódnak. A megkötött vízrétegben lévő radionuklidok mennyisége nagyságrendekkel nagyobb lehet, mint a szabad pórusvízben tartózkodóké. Ezt a szorpciós folyamatot ioncsereként lehet elképzelni és így várhatóan erősen befolyásolni fogja a felszín alatti víz sótartalma, azaz a nagyobb sótartalom gyengíti a hatást.

A fent leírt, diffúz elektrosztatikus erők által megkötött anyagok esetében gyakran azt találták, hogy nagyon kicsi a mobilitásuk a felületek mentén. Így, bár ezek összegyűlnek a felületeken és kivonódnak a valóban mobilis pórusvízből, mégis képesek a migrációra, csak sokkal alacsonyabb sebességgel. A cézium és a stroncium mutat ilyen szorpciós és migrációs mechanizmust.

Az ásványfelszíneken a reakcióképes vegyületcsoportok is nagy számban találhatók. A szilícium-, alumínium- és vas-oxidok, amelyek hidroxil-csoportokként vannak jelen, sok radionukliddal tudnak felületi komplexeket alkotni, különösen az aktinidákkal. Sok esetben a semleges töltésű, feloldódott komplexekben található radionuklidok is megkötődnek a felületeken. Ezt a folyamatot felületi komplexképződésnek hívják. Mindkét szorpciós mechanizmus megfordítható, és ha a radionuklidok koncentrációja lecsökken a vízben, akkor a megkötött anyagok leválnak, a konkurens hatások függvényében. A szorpciós képességben más ásványok is közrejátszhatnak, például karbonátok és foszfátok. A jelek szerint a felületi komplexképződéssel létrejött szorpció kevésbé érzékeny a felszín alatti víz sótartalmára, mint a valódi ioncserés szorpció. Az aktinidák többsége felületi komplexképződéssel szorbeálódik.

Így a szorpció számára rendelkezésre álló ásványfelszínek mennyisége kulcsfontosságú tényező és meg fogja szabni, hogy milyen mértékben vonódnak ki a radionuklidok a repedésekben mozgó és a stagnáló pórusvízből, ahová molekuláris diffúzióval jutottak be. Ezek a szorpciós folyamatok különösen fontosak, minthogy jelentősen késleltetik a radionuklidok mozgását a repedésekben szabadon mozgó víz esetében. Minél nagyobb az „áramlás által nedvesített felület” a víz és a kőzet között, annál hatékonyabb lesz a radionuklidok visszatartása.

3.3.5.4. Kolloidszállítás

Vannak arra utaló jelek, hogy a kolloid részecskék a víz sebességével képesek mozogni és így a hozzájuk csatlakozó radionuklidokat nem tartják vissza a fent leírt késleltetési mechanizmusok. A kolloid részecskéknek három típusával lehet számolni:

  1. A vízáramban szállított kőzettörmelék; az ilyen folyamatok jól ismertek a felszíni vizekben vagy a gyorsan áramló vizekben, mely nem jellemző arra a földtani környezetre, melyre a lerakásnál szükség van.

  2. Természetes kolloid részecskék, amelyek a szilícium, alumínium, vas vagy egyéb anyagok természetes polimereiből állnak; az ilyen kolloidok az átalakulási folyamatok korai fázisában képződhetnek, de mélységi földtani környezetben egyensúly áll fenn a víz és a jól fejlett ásványfázisok között. A természetes kolloidok jelenléte utalhat a víz rövid tartózkodási idejére is, amely nem jellemző arra a földtani környezetre, amelyre a lerakásnál szükség van.

  3. Kolloid részecskék, amelyek a radionuklidokból és a hulladékcsomagokból kiszabadult egyéb anyagokból képződhetnek; ezek a kolloidok megszökhetnek, bár a műszaki gát vagy a kőzetmátrix megszűri őket.

Sok munkát végeztek a kolloidok mintázása és lehetséges szerepük elemzése érdekében, de még mindig vannak alapvető tisztázatlan kérdések e transzportmechanizmus lehetséges jelentőségével kapcsolatban.