Ugrás a tartalomhoz

A nukleáris ipar hulladékkezelési kihívásai

Dr. Szűcs István (2013)

4.2. A hulladékkezelés és elhelyezés főbb nemzetközi stratégiai kérdései

4.2. A hulladékkezelés és elhelyezés főbb nemzetközi stratégiai kérdései

4.2.1. A kiégett fűtőanyag kezelés stratégiái

A kiégett nukleáris fűtőelemek teljes körű kezelésének, a fűtőelem ciklus végleges lezárásához vezető lépések stratégiájának ("back-end" stratégia) jelenleg négy általánosan elfogadott lehetősége van. Ezek a következők:

  1. Nyílt üzemanyagciklus, amely során a kiégett fűtőelemeket feldolgozás nélkül (de megfelelően előkészítve) véglegesen (a visszanyerés szándéka nélkül) helyezik el egy erre a célra kialakított geológiai tárolóban. (Lásd: 4.1. ábra felső része)

  2. Hagyományos, zárt üzemanyagciklus, amely során a még hasadóképes anyagokat (uránt és plutóniumot) tartalmazó kiégett nukleáris üzemanyagot nyersanyagként újra fel lehet használni fűtőanyag gyártásához. E reprocesszálásnak nevezett folyamat eredményeként (kisebb mennyiségben) visszamaradó nagy aktivitású, hosszú élettartamú hulladékok végső elhelyezéséről továbbra is gondoskodni kell. (Lásd: 4.1. ábra alsó része)

  3. Továbbfejlesztett, zárt üzemanyagciklus, amely során a kiégett fűtőanyagot reprocesszálják és a keletkező termékeket szétválasztási és transzmutációs eljárásnak (Partitioning and Trasmutation, P&T) vetik alá. A folyamatban az aktinidák és a hosszú felezési idejű hasadási termékek egy részét átalakítják. A visszamaradó nagy aktivitású hulladékot végleges elhelyezését itt is meg kell oldani.

  4. A késleltetés stratégiáját alkalmazva a kiégett fűtőelemeket átmeneti tárolóban helyezik el, ahol a tárolás elméletileg meghatározatlan ideig fenntartható, megfelelő ellenőrzéssel és karbantartással. Ez a stratégia végleges megoldásnak semmiképpen nem tekinthető.

Kiégett fűtőelem-kezelési stratégiájuk alapján az országok három fő csoportba sorolhatók:

  • A nyitott fűtőelemciklust választók, amelyek az átmeneti tárolást követő közvetlen fűtőelem-elhelyezésre összpontosítanak. (pl. Kanada, Spanyolország, Svédország, USA);

  • A fűtőelem újrafeldolgozását (zárt ciklus) választók, amelyek vagy reprocesszáló üzemet működtetnek, vagy pedig külföldön dolgoztatják fel az elhasznált üzemanyagot. (Pl. Japán, Kína, Franciaország, Németország, India, Oroszország, Nagy-Britannia);

  • A számukra elfogadható opciót még nyitva hagyó ("wait and see") országok, amelyek még további megfontolások, vizsgálatok alapján kívánnak dönteni. (pl. Bulgária, Korea, Litvánia, Mexikó, Szlovénia, Ukrajna, Magyarország,).

4.1. ábra - A nyílt (felül) és hagyományos zárt (alul) üzemanyagciklusok összehasonlítása

4.1 ábra A nyílt (felül) és hagyományos zárt (alul) üzemanyagciklusok összehasonlítása

4.2.2. A kiégett fűtőanyag feldolgozási lehetőségei

Az előzőekben ismertetett négy lehetséges fűtőanyag kezelési stratégiából jelenleg két jól kiforrott koncepció létezik a fűtőelemciklus lezárására:

  • Az egyik a b), az elhasznált fűtőelemek újrafeldolgozása a hasznosítható anyagok kinyerésére, ezt követően pedig a radioaktív hulladékok üvegbe ágyazása, majd a kiégett fűtőelemek közvetlen végleges elhelyezése.

  • A másik az a), a közvetlen végleges elhelyezés, amelyre eddig még sehol nem került sor, (ugyanakkor a b) szerinti koncepció ipari méretekben már évtizedek óta működik).

Annak ellenére, hogy a nagy aktivitású hulladékok mélygeológiai formációban történő végleges elhelyezésével szinte minden nukleáris iparral rendelkező ország foglalkozik, sok helyen kutatják azon alternatívák lehetőségét, amelyek segítségével csökkenthetők a jövő generációk terhei. Ezt [15] alapján a következőkben foglalhatjuk össze: "Az egyik ígéretesnek tartott lehetőség a hulladékokban található hosszú élettartamú radionuklidok átalakítása oly módon, hogy a maradékok elhelyezését követően csak jóval rövidebb idejű intézményes ellenőrzésre legyen szükség [16]. Az eljárás, amelynek neve transzmutáció, olyan nukleáris folyamat, amellyel a hosszú élettartamú radioizotópokat stabil, vagy rövid élettartamú izotóppá lehet alakítani reaktorban, vagy az e célra kialakított részecskegyorsítókban [17]. Az elképzelések szerint az új technológia segítségével az emberiség úgy szabadulhat meg a hosszú életű radioaktív hulladékok elhelyezésének nyomasztó gondjától, hogy eközben még villamos energiát is termelhet. A transzmutáció valójában nem más, mint a reprocesszálás továbbfejlesztése, amelynek célja kedvezőbb tulajdonságú radioaktív hulladék előállítása a járulékos előnyök (pl. energiatermelés) kihasználásával. Fontos aláhúzni, hogy a transzmutáció csak reprocesszálást követően lehetséges, következésképpen ez az opció ellentétes azon országok stratégiájával, amelyek elvetették a fűtőelem újrafeldolgozás lehetőségét.

A hulladékelhelyezés során a potenciális veszélyt egyrészt az extrém hosszú életű radioizotópok, másrészt az élő szervezetet leginkább roncsolni képes alfa-sugárzó izotópok jelentik. A transzurán csoport elemei közül a plutónium érdemel külön figyelmet, mivel ennek radio-toxicitása igen nagy. A transzmutáció iránti érdeklődés a 90-es évek elején élénkült meg. E technológia alkalmazása a nagy aktivitású hulladékokban lévő két fő izotópcsoport esetén jöhet szóba: az aktinidákra - melyek a jelenleg alkalmazott U, illetve U-Pu kevert üzemanyagon alapuló energetikai reaktorokban számottevő mértékben fordulnak elő -, és a hasadási termékekre (pl. 99Te, 129I). A transzmutáció elvégzése neutronok, illetve töltött részecskék által kiváltott magreakciókkal lehetséges. A jelentős neutronfluxus maghasadáson alapuló atomreaktorokban (könnyűvizes, gyorsneutronos vagy folyékony fémhűtéses reaktorokban), illetve más típusú (pl. magfúziós) berendezések segítségével történhet. Ez utóbbinál töltött elemi részecske- vagy atommag-nyalábot gyorsítók segítségével nagy energiára (sebességre) gyorsítanak fel, és a részecskecsomagot valamilyen nehéz rendszámú elemből álló céltárgynak ütköztetik. Az ütközés hatására a céltárgy atommagjai több részre esnek szét, amit nagy mennyiségű neutron felszabadulása kísér. Ezek a neutronok többféle célra is felhasználhatóak. Amennyiben a céltárgy hasadóanyagból áll (vagy azt is tartalmaz), illetve, ha olyan anyag van jelen, amely a neutronokat elnyelve hasadóanyaggá alakul, akkor a folyamat a transzmutáción kívül energiatermelésre is alkalmas.

Felmerült a részleges transzmutáció lehetősége is, amikor is csak azokat az aktinidákat alakítanák át és vonnák ki a rendszerből, amelyek a legnagyobb sugárterhelési kockázatot jelentik a nagy aktivitású hulladék mélygeológiai formációban történő elhelyezését követően. Ennek meghatározásánál igen nagy a bizonytalanság, mivel az erősen függ a befoglaló kőzettől, a geokémiai viszonyoktól és más jellemzőktől. Becslés szerint a legveszélyesebb a 237Np és a 241Am. Amennyiben a transzmutáció nem 100%-os, akkor megnövekedett neutronaktivitással, és az ebből eredő manipulációs és sugárvédelmi problémákkal kell számolni. Fokozott figyelemmel kell lenni bizonyos transzurán izotópokat jellemző meglehetősen alacsony kritikus tömegre, mind a hulladékkezelési technológiáknál, mind pedig az elhelyezett hulladékok kioldódását követő esetleges bedúsulások miatt.

Mivel a mai technológiákkal a megkívánt szétválasztási hatékonyság nem érhető el, továbbá a szükséges reaktortechnika sem eléggé kiforrott, ezért a transzmutációs programokat tovább kell fejleszteni, mielőtt dönteni lehetne gyakorlati alkalmazásukról. Mai tudásunk szerint azonban nincsen olyan technológia melynek alkalmazásával teljesen kiválthatók lennének a geológiai tá-rolók. Ezért a transzmutáció nem is tekinthető önálló koncepciónak, sokkal inkább a reprocesszálási változat finomításának. Az igazi kérdés, hogy érdemes-e, megéri-e a transzmutációt ipari mértékben alkalmazni.

A szétválasztás és transzmutáció lehetőségét jelenleg Japán, Franciaország, USA, Oroszország, Dél-Korea, Spanyolország és Németország vizsgálja. További országok, mint például India, Kína, Belgium, Hollandia és Olaszország kormányfinanszírozású P&T projekteket indított, vagy az Európai Bizottság programjainak résztvevője. [18],[19]

Az USA Energiaügyi Minisztériumának (DOE) tanulmánya szerint sikeres kutatás-fejlesztést követően a békés célú alkalmazásból származó 87 000 t kiégett fűtőelem transzmutácós feldolgozása 117 évet venne igénybe és mintegy 280 milliárd USD-ba kerülne [20]. Ezért jelenleg egyetlen P&T-vel foglalkozó ország sem tekinti rövid távon reális hulladékkezelési alternatívának ezt a technológiát.

4.2.3. A kiégett fűtőanyag átmeneti tárolása

A kiégett fűtőanyagok átmeneti tárolása elkerülhetetlen lépés bármely korábban említett kiégett fűtőanyag-kezelési stratégiáról is legyen szó. A hulladék tárolása olyan elzárást és elszigetelést jelent - ellentétben a végleges elhelyezéssel - melynél szándék van a későbbi hozzáférésre. Műszaki okok miatt a kiégett üzemanyaggal kapcsolatos tevékenységek kezdeti időszakában mindig szükség van átmeneti tárolásra [21], Ezen idő alatt jelentősen lecsökken a kiégett fűtőele-mek radioaktivitása és hőtermelése, ami megkönnyíti a későbbi műveletek elvégzését. A tárolás igen kicsi biztonsági kockázattal jár mindaddig, amíg az ellenőrzése hatékony. Ellenben, ha vala-milyen okból elmarad az ellenőrzés és a felügyelet, akkor megnőhet az olyan események kocká-zata, amelyek súlyos következményekkel járhatnak. Ilyenek lehetnek például a hűtés kiesése, vagy a tárolt nukleáris anyag törvénytelen felhasználása.

A kiégett fűtőelemek tárolása történhet a reaktorok közelében (at reactor, AR), vagy attól távolabb létesített tárolókban (away from reactor, AFR). Egy másik kategorizálási rendszer szerint a létesítmények lehetnek száraz vagy nedves tárolók. Nedves tárolók esetében a kiégett fűtőelemeket vízzel telt medencékben tartják, míg a száraz tárolás során a fűtőelemkötegeket konténerekben vagy kamrákban, inert gáz vagy levegő környezetben helyezik el. A tartálytípusú tárolók olyan masszív konténerek, melyek lehetnek fix telepítésűek, ill. mozgathatóak [22]. Jelenleg is számos tárolótípus van használatban, illetve fejlesztés alatt. Fémkonténereket alkalmaznak Belgiumban, Csehországban, Németországban, Indiában, Japánban, Litvániában, Dél-Afrikában, Svájcban és az USA-ban. Többcélú konténereket, amint arra nevük is utal, több funkcióra – tárolásra és szállításra (kettős célú), vagy tárolásra, szállításra és elhelyezésre (többcélú) – használnak. Különféle betonfalú, kamrás tárolótípust fejlesztettek ki, ill. tesztelnek jelenleg is, melyek lehetnek vízszintes vagy függőleges kialakításúak. A kamrás megoldások olyan felszíni vagy felszín alatti vasbeton épületek, melyek egy vagy több fűtőelemköteg elhelyezésére szolgáló tárolók rendszeréből épülnek fel. A hő elvezetését rendszerint levegő- vagy gázáramoltatással oldják meg. A száraz tárolási opción belül a kamrás típust jelenleg Kanadában, Franciaországban, Nagy-Britanniában, az USA-ban és Magyarországon használják". [24], [24]

4.2.4. A kiégett fűtőelemek és a nagy aktivitású hulladékok végleges elhelyezése

Az elmúlt évtizedekben a szakemberek már számos lehetőséget tanulmányoztak a nagy aktivitású hulladékok bioszférától történő hosszú idejű elszigetelésére. A tengerbe süllyesztés, a mélytengeri óceáni talapzatban való elhelyezés vagy a kontinentális jégsapka alá való hulladéklerakás egyrészt nemzetközi egyezményeket sértene, másrészt nagyon kockázatos, mivel a hulladékok az elhelyezést követően ellenőrizhetetlené válnak [25]. Az űrbe való kilövés rendkívül drága, és fennáll a visszaesés lehetősége, továbbá ennek végrehajtásához a kiégett fűtőelemeket reprocesszálni kellene. A következő évtizedekben persze új lehetőségek is felmerülhetnek. Nyil¬vánvaló, hogy minden ésszerű alternatívát meg kell vizsgálni, annak ellenére, hogy mára már széles körű nemzetközi egyetértés alakult ki a hosszú élettartamú radioaktív hulladékok stabil mélygeológiai formációkban való elhelyezésének műszaki előnyeiről. A természetes és műszaki gátak biztosította rendszer révén ez a stratégia megteremti annak lehetőségét, hogy a hulladékokat rendkívül hosszú időtartamon át - akár sok ezer évig - elzárják a bioszférától, ill. hogy a radioaktív izotópok csak elhanyagolható koncentrációban jelenhessenek meg az emberi környezetben. Ezzel a megoldással a véletlen emberi behatolásból származó kockázat is minimálisra szorítható. Ez a végleges elhelyezési megoldás lényegében egy passzív védelem, mely nem igényel további beavatkozást, vagy intézményes ellenőrzést, bár célszerű az elhelyezés helyét rögzíteni, és valamilyen rutinszerű ellenőrzést hosszabb időtartamon keresztül fenntartani. Ez az opció meghagyja a jövő nemzedékeknek azt a lehetőséget, hogy ha akarják, visszatermeljék a hulladé¬kot.

Jelenleg a geológiai elhelyezésről bizonyítható be, hogy biztosítani tudja az elvárt szintű és időtartamú izolációt, ezen túlmenően visszafordíthatóvá is tehető, szemben más elhelyezési opciókkal.

A több száz méter mélységben történő elhelyezést ma a legbiztosabb megoldásnak tartják a hosszú élettartamú hulladékok tartós elszigetelésére. [26]

Az első geológiai tárolási kísérleteket még a 60-as évek közepén az Egyesült Államokban vé-gezték só összletben. Később, Svédországban, a gránitban való elhelyezés koncepcióját dolgozták ki, ami már a robusztus műszaki gátaknak is fontos szerepet szán. Azóta sok más geológiai formációt is vizsgálnak, pl. agyagot, tufát, bazaltot. A geológiai elhelyezés alkalmazhatóságát és megbízhatóságát erősítette meg az OECD/NEA már korábban kiadott jelentése, mely foglalkozott az elkerülhetetlen bizonytalanságokkal is [27]. A NEA azóta is rendszeresen értékeli a geológiai elhelyezés kutatása területén elért eredményeket, és külön figyelmet szentel a hatósági szabályozással kapcsolatos kérdéseknek [28], [29].

A nagy aktivitású hulladékok tárolóinak létesítési folyamata jóval hosszabb, mint a kis és közepes aktivitású hulladékok esetén. Ennek a hosszú folyamatnak minden fázisa sok évig tart, vagy éppen évtizedeket vesz igénybe. Ez alatt lehetőség van a társadalmi vitára, továbbá a hatóságok szigorú ellenőrzésére, amelynek során minden feltételt ki kell elégíteni, mielőtt áttérnének a következő fázisra. Fontos megjegyezni, hogy a műszaki biztonság nem függ az előrehaladás ütemétől, mivel az ellenőrzött átmeneti tárolók - ha nem is fogadhatók el hosszú távú stratégiaként- biztonságos ideiglenes megoldást biztosítanak.

A lépésről lépésre haladó folyamat során a kiválasztott területen és annak környékén végzett vizsgálatok alapján összegyűjtik a szükséges információkat. Ez segít abban, hogy jobban meg-értsék a regionális és a helyi geológiát, és egyre pontosabbá tegyék a geológiai szerkezet várható viselkedésének értékelését. Ez a folyamat - amely kellően rugalmas kell, hogy legyen a kutatási programokból származó inputok befogadására, valamint a társadalmi konzultációk során jelent-kező igények beépítésére - széles körű lehetőséget nyújt a folyamat rendszeres felülvizsgálatára.

A geológiai elhelyezés koncepciója nem igényli, hogy feltétlenül újra-hozzáférhetővé tegyék a hulladékokat a tároló lezárását követően. Elvben ilyen beavatkozásra nem lesz szükség, ha egyszer lezárták a tárolót, hiszen az egész koncepció arra épül, hogy a hulladék biztonságosan magára hagyható. Abban az extrém esetben, ha a véglegesen lezárt tárolóból a hulladékokat valamilyen oknál fogva vissza kellene nyerni, akkor ez a művelet ugyan költséges lehet, de műszakilag megoldható. A visszanyerhetőség igen fontos etikai szempont, mivel a mélygeológiai elhelyezés nem tekinthető feltétlenül teljesen irreverzibilis folyamatnak, amely teljesen kizárja a stratégiák jövőbeni megváltozását. Ebben az összefüggésben meg kell jegyezni, hogy magának a tárolónak, ill. az odavezető járatoknak a lezárása mindig külön döntést igényel, mely döntés kitolható jóval az elhelyezési műveletek befejezése utánra. Ez is a folyamat visszafordításának lehetőségét teremti meg. Ily módon a lépésről lépésre haladó folyamat beépíti az ideiglenes elhelyezés elő¬nyeit anélkül, hogy azt meghatározatlan ideig fenn kellene tartani.

Azt el kell ismerni, hogy a jelen generációk által megvalósítható robusztus, passzív biztonságot nyújtó megoldás is végső soron sérülhet egy jövőbeli társadalomban, valamilyen szándékolatlan behatolás során. Az ilyen behatolás lehetőségét és következményeit azonban a gondosan megválasztott telephelyek révén minimálisra lehet csökkenteni.