Ugrás a tartalomhoz

A nukleáris ipar hulladékkezelési kihívásai

Dr. Szűcs István (2013)

4.4. A potenciális befogadó kőzet védelmi koncepciója

4.4. A potenciális befogadó kőzet védelmi koncepciója

A Bodai Aleurolit Formáció korábban lezárt kutatási fázisainak eredményeként 2004-ben, a Felszíni I. fázis kutatási engedélyezési tervének összeállításakor megfogalmazhatók voltak a BAF-ban tervezett végleges elhelyezés védelmi (biztonsági) koncepciójának legfontosabb elemei: A végleges elhelyezés definíciójának megfelelően alapvető cél a bioszféra védelme a radionuklidok megfelelő hosszú időre történő elszigetelése (izoláció) és terjedésük korlátozása (retardáció) révén. A végleges elhelyezés védelmi (biztonsági) koncepciójának nevezzük mindazon geometriai, izolációs, műszaki-technológiai sajátosságok illetve a tárolórendszertől elvárt funkciók összességét, melyek befolyásolják az elhelyezett radionuklidok mobilitását, meghatározzák transzportjának sebességét, irányát, úthosszát; és amelyek végső soron lehetővé teszik a bioszféra megfelelő szintű és elégséges ideig tartó védelmét.

A BAF esetében meghatározott védelmi koncepció egyaránt tartalmaz általános telephelyfüggetlen (a legtöbb nemzeti projektben alkalmazott) valamint szűken értelmezett, csak a magyar viszonyokra érvényes, illetve BAF-specifikus elemeket is. A legfontosabb általános elemek a következők:

  • A radioaktív hulladékok végleges elhelyezésének megkívánt biztonságát, robosztusságát többszörös gátrendszer alkalmazásával kell elérni (multibarrier system – ld. a 4.2. ábrán). A teljes rendszer (földtani gát, hulladékforma és hulladékcsomag, mérnöki gátrendszer és elhelyezési rendszer, valamint a bioszféra) működésének várható hatásait együttesen, összefüggéseiben kell vizsgálni. A végleges elhelyezésre csak akkor kerülhet sor, ha a megfelelően ellenőrzött adatokra épülő konzervatív és validált elemzések során a várható hatások kielégítik az előre deklarált dózis- illetve kockázati kritériumokat.

  • A végleges elhelyezést megfelelően jellemezhető és modellezhető geológiai formációban (földtani gátban) tervezzük, ahol a földtani gát lehetővé teszi a kijutó radionuklidok geoszférában történő minél nagyobb mértékű megkötődését.

  • A radioaktív hulladékok elhelyezése stabil földtani környezetben történik annak érdekében, hogy a természeti eredetű bolygató események az elemzésekben figyelembe veendő időtávon is csak elhanyagolható mértékű valószínűséggel következzenek be.

  • A kvantitatív illetve a kvalitatív elemzések időtávjának megválasztása során a lehető legmagasabb szintű biztonságra kell törekedni. A rövid távú megfigyelésekből levonható következtetések megbízhatóságát természeti analógia-megfigyelésekkel kell fokozni.

  • A végleges elhelyezésre olyan felszín alatti mélységben kerül sor, amely megnehezíti az elhelyezésre kerülő hulladékokhoz való hozzáférést (szándékolt behatolás), illetve amely megvédi a tárolót a felszíni hatásoktól (erózió, jégborítottság, árvíz stb.).

  • A mélységi elhelyezéssel térben hosszú áramlási pályára helyezhetők az esetlegesen kiszabaduló radionuklidok.

  • A megfelelően nagy mélység mellett az elhelyezésre alacsony gazdasági potenciálú területen kell sort keríteni, amely biztosítja, hogy az emberi gazdasági tevékenységből eredő szándékolatlan bolygató események csak elhanyagolható mértékű valószínűséggel következzenek be.

  • A végleges elhelyezésre a telített zónában kerül sor, ahol az esetlegesen kijutó radionuklidok elsődleges migrációs közege a felszín alatti víz. A kőzetek és a felszín alatti vizek geokémiai viszonyai olyanok legyenek, hogy kedvezően befolyásolják a transzportfolyamatok sebességét és irányát.

  • A tároló beszivárgási területen kerül elhelyezésre, amely – a nagy mélység mellett – biztosítja, hogy az esetlegesen kiszabaduló radionuklidok csak hosszú áramlási pályát befutva érjék el a bioszférát.

  • Olyan mérnöki gátrendszert kell alkalmazni, amely fizikai gátlóhatása révén késlelteti a radionuklidok geoszférába való kijutását, illetve kémiai összetételénél fogva lehetővé teszi a radionuklidok minél nagyobb mértékű megkötődését.

  • Olyan hulladékformát és csomagolást kell alkalmazni, amely az elemzésekben számításba vett ideig biztosítja a radioizotópok tökéletes izolációját, illetve a későbbiekben is késlelteti és gátolja a migrációs közegbe való beoldódást.

  • A végleges elhelyezés olyan területen történjen, amely biztosítja, hogy a földtani gátból kikerülő radionuklidok a bioszféra határfelületén nagyfokú híguláson menjenek keresztül, biztosítva ezáltal az elfogadhatóan alacsony effektív dózist.

  • A védelmi koncepció általános elemét képezi még a lezárás előtti, illetve az azt követő aktív (pl.: a területhasználat korlátozása, monitoring rendszer stb.) és passzív (irattári, adattári információs rendszerek kialakítása) intézményes kontroll fenntartása, valamint – az aktív kontroll-időszakon belül – szükség esetén az elhelyezett hulladékok visszatermelhetőségének biztosítása is.

4.2. ábra - A többszörös gátrendszer (multibarrier system) elve

4.2 ábra A többszörös gátrendszer (multibarrier system) elve

A vonatkozó hazai jogszabály, a 62/1997. (XI. 26.) IKIM rendelet szerint a nagyaktivitású hulladékok esetében a végleges elhelyezés biztonságát meghatározó rendszerelemek közül kiemelt jelentőséget kell tulajdonítani a földtani gát alkalmasságának. Szűkebb értelmezésben a földtani gát fogalmát magával a potenciális befogadó képződménnyel azonosíthatjuk. Számos helyszín esetében ennél azonban korrektebb megoldás lehet, ha a földtani gáthoz soroljuk a potenciális befogadó képződmény földtani környezetének azon elemeit illetve részeit is, amelyek a szennyeződésterjedés folyamatában – akár az elérési úthossz növelésével, akár pedig a radioizotópok mobilitását gátló fizikai és geokémiai hatások révén – érdemben képesek hozzájárulni a bioszféra védelméhez. Egy átfogó elemzés eredményeként az a szakmai álláspont alakult ki, hogy a BAF-on kívül annak alaphegységi földtani környezete is a természetes földtani gát részét képezheti, egészen a Hetvehelyi Formáció Magyarürögi Anhidrit Tagozatáig bezárólag. Ez vertikálisan legalább 2500-3000 m vastagságú kőzetkörnyezetet jelent (lásd. 4.3. ábrán). Természetesen ennek "hasznos" része a lehetséges áramlási pályákon múlik. Mindez a feltáró létesítmények telepítésénél meglehetősen nagy szabadságot biztosít.

A földtani gát, fentiekben megfogalmazott, kiterjesztett értelmezésével összhangban földtani értelemben a következőképpen definiálhatók a bioszféra határait: A bioszférához tartozik az embernek, illetve az őt körülvevő élő, bármilyen tápláléklánchoz bármilyen szinten és módon kapcsolódó környezetnek földfelszín fölötti élettere, valamint a földtani környezet (szilárd földkéreg vagy kőzetburok) azon része is, amely ezzel az élettérrel bármilyen gyors migrációs kapcsolatba kerül, vagy kerülhet.

E definíció szerint a vizsgált területen D-i és Ny-i irányban a Mecsekalja-árokig illetve a Mecsekalja szerkezeti övig a kővágószőlősi antiklinális alaphegységi képződményeinek fedőjében települő miocén, pannon, negyedidőszaki kavicsos, homokos, agyagos kifejlődéseket, K-i irányban az uránércbánya üregrendszerét, illetve az általa létrehozott elsődleges hidraulikai hatásövezetet, míg É-i irányban a karsztosodásra hajlamos karbonátos képződményeket (pl. Magyarürögi Mészkő Tagozat és a Misinai Formáció) kell a bioszféra részének tekinteni.

4.3. ábra - A Ny-Mecsek elvi földtani rétegoszlopa

4.3 ábra A Ny-Mecsek elvi földtani rétegoszlopa

További részletező vizsgálatok tárgyát kell képezze, hogy az egyes szerkezeti blokkokon belül húzódó törések (pl. az ún. Büdöskúti szerkezeti zóna) illetve a Magyarszék-Hetvehely szerkezeti vonal egyes szakaszai bioszféra-határként értelmezhetőek-e (lásd a 4.4. ábrán). Amíg az elvégzett vizsgálatok alapján e kérdésekre esetleg pozitív válasz nem születik, a konzervatív megközelítés jegyében e töréseket a bioszféra részének kell tekinteni. A felsorolt képződményektől, tektonikai elemektől illetve zavaró objektumoktól való megfelelő távolság biztosítása a telephely kijelölésének egyik lényeges eleme.

4.4. ábra - A Ny-mecseki antiklinális földtani térképe

4.4 ábra A Ny-mecseki antiklinális földtani térképe

A végleges elhelyezés megvalósíthatóságának és biztonságának megítéléséhez a BAF, mint potenciális befogadó összlet teljes ismert elterjedési területét (>150 km2), illetve földtani és vízföldtani környezetét is részletesen vizsgálni kell. A potenciális telephely azonban ennél értelemszerűen kisebb térrészben képzelhető el. Az előzetes leszűkítést egyrészt geometriai, másrészt izolációs, biztonsági, környezetvédelmi és területhasználati okokból kellett elvégezni. Az elvégzett előszűrések után mintegy 40-45 km2 horizontális, illetve 500-600 m vertikális kiterjedésű térrész áll rendelkezésre a végleges elhelyezés optimális helyszínének kijelöléséhez. Ezt a térrészt földtani-tektonikai-vízföldtani okok (részben a jelentősen eltérő földtani felépítés, részben pedig a bioszférához tartozónak feltételezett határoló törésrendszerek jelenléte) miatt az alábbi három ún. potenciális célobjektumokra lehetett felosztani (4.5. ábra):

  • a kővágószőlősi antiklinális területén lévő, a Büdöskúti-törésrendszertől D-re húzódó blokk (Déli terület),

  • a kővágószőlősi antiklinális területén a Büdöskúti-törésrendszertől É-ra, a Hetvehely-Magyarszék övig húzódó blokk (Központi terület),

  • az ún. Goricai terület, amelyet Ny-ról az ún. Bükkösdi-törés, míg É-ról a Bakócai szerkezeti vonal határol.

4.5. ábra - A BAF-ban kijelölhető három potenciális célobjektum

4.5 ábra A BAF-ban kijelölhető három potenciális célobjektum

Minthogy a felszíni kutatás célkitűzése szerint a programfázis elsődleges feladata az, hogy a fenti blokkok között minőségi, továbbkutatási rangsort állapítson meg, a végleges elhelyezés feltételezett telephelye jelenleg megalapozottan tovább nem szűkíthető.

Éppen ezért a védelmi koncepció összeállításakor teljesen önkényesen került kijelölésre a Központi (centrális) blokk, mint az elhelyezési referenciaváltozat helyszíne. A BAF-ban tervezett végleges elhelyezés mélységtartománya – illetve az ezzel részben összefüggő elhelyezési alapgeometria egyelőre szintén nem lehet véglegesített. Ezzel kapcsolatban az 1999-ben lezárt, felszín alatti vizsgálati módszereket is bevető kutatási fázis (az ún. Rövidtávú Program) során került közlésre elemzés [33]. E szerint egy önkényesen kiválasztott geometriával és elhelyezési rendszerrel (a kiégett fűtőelemek esetében horizontális tárolókamrák talpába fúrt nagy átmérőjű fúrólyukakba süllyesztett tokokkal, a nagyaktivitású hulladékok esetében a tárolókamrák szelvényében elhelyezett konténerekkel) számolva a végleges elhelyezés szükséges felszín alatti mélysége valószínűsíthetően 700-800 m lehet. Ezt a következő ismeretek támasztották alá: Az izolációs viszonyok alakulásában döntő kérdés az, hogy a potenciális befogadó összletben felismerhető-e olyan, a Darcy-törvénnyel leírható (repedés menti) vízáramlási mechanizmus, amely a nem tökéletes önzárásból fakad. A BAF, mint potenciális befogadó kőzet az agyagjellegű befogadó kőzetek kategóriájába tartozik. Jelenleg megismerhető izolációs tulajdonságait alapvetően speciális képződési környezete, viszonylag idős kora, valamint fejlődéstörténete határozza meg. A nemzetközi szakirodalom szerint éppen az ilyen, előrehaladott konszolidációs fokon álló, szilárd, de agyagtulajdonságaikat még megőrző aleurolitok, agyagkövek alkotják a nukleáris hulladékok végleges elhelyezése szempontjából értékelhető agyagjellegű képződmények skálájának egyik végpontját. (A másik végletet a fiatal, alulkonszolidált, plasztikus agyagok jelentik.) Az összehasonlító elemzések számos közös tulajdonságot mutattak ki a különböző agyagjellegű kőzetváltozatok között. Ezek közül a védelmi koncepciót leginkább meghatározó jellemzők a mátrixanyag alacsony permeabilitása és a kedvező izotópmigrációs tulajdonságok. Szintén közös, bár kevésbé kedvező sajátosság a komplex, mélységében nehezen megérthető szerkezet és viselkedés. A már kis mélységtartományban is viszkoplasztikus viselkedést mutató fiatal agyagokban (valamint a kősóban) tervezett elhelyezés alapgondolata a teljes mértékű és általános önzárás (öngyógyulás) érvényre jutása. E mechanizmus következtében nem kell számítani a törések, repedések mentén végbemenő advektív szennyeződésterjedésre. Így a befogadó kőzettest geometriáját a nagy koncentrációkülönbség hatására a pórusokban lejátszódó, igen lassú diffúz nuklidszállításnak megfelelően kell "méretezni". Ezért a végleges elhelyezés kisebb felszín alatti mélységben (esetleg 200-300 m), és viszonylag kisebb összletvastagság (100 m) mellett is reális cél lehet. (Erre szükség is van, mert nagyobb mélységben ezek a kőzetek technikailag általában nem alkalmasak a szükséges méretű tárolóüregek kialakítására.) A BAF esetében a kőzetmátrix extrém alacsony hidraulikai vezetőképességgel (<10-15 m/s) és porozitással (0,5-2,0 %) jellemezhető. Noha mérésekkel igazolható volt, hogy a tektonikai jelenségek szinte kivétel nélkül a nagyobb mélységű (2000-4000 m) eltemetettség időszakában, a teljes önzárás állapotában keletkeztek, az is bebizonyosodott, hogy a különböző korú, jellegű, orientációjú és kitöltőanyagú tektonikai jelenségek egy része jelentősen befolyásolhatja – esetleg a kritikus határ fölé is emelheti – a hidraulikai vezetőképességet. Ezért helyenként a végleges elhelyezés reális mélységtartományának alsó határán (1000 m-es mélységben) is kimutathatók voltak olyan, kis volumenű, repedésmenti áramlási folyamatok is, amelyek a nem tökéletes önzárásból fakadnak. Így kizárhatjuk, hogy a BAF – a fiatal, plasztikus agyagokhoz hasonlóan – kis fedővastagság mellett is tökéletes izolációt biztosítana.

A nagy kiterjedésű, konszolidált BAF védelmi koncepcióját éppen ezért úgy célszerű meghatározni, hogy abban ötvöződjenek a fiatal agyagok, illetve az önzáróképességet általában szinte egyáltalán nem mutató kristályos befogadó kőzetek kedvező sajátosságai. A világszerte vizsgált gránit-helyszínek védelmi koncepciója éppen a nagy sebességű nuklidszállítást lehetővé tevő, összefüggő, a BAF-ban valaha mértnél lényegesen nagyobb hidraulikus vezetőképességű törésrendszerek elkerülésére épül; akár az elhelyezési mélység, vagy a tároló geometriai méreteinek növelése árán is. Ennek az a feltétele, hogy minden irányban megfelelő kiterjedésű, ép kőzettömb álljon rendelkezésre. A BAF vázolt geometriai mérete, illetve fő jellemzőinek nagyfokú homogenitása az ilyen megközelítést szintén lehetővé teszi. A BAF-ra jellemző, kiemelkedően kedvező geomechanikai viszonyok mellett az üregállékonyság kérdése nagyobb mélységben sem jelentkezik korlátként. Így a BAF esetében lehetőség van arra, hogy a gránitos koncepció alapgondolatával tovább fokozzuk a végleges elhelyezés biztonságát. A viszonylag nagyobb mélységű végleges elhelyezést egy további tény is szükségessé teheti: Ismeretes, hogy a Ny-Mecsek tömbje a geológiai közelmúltban viszonylag egyenletes, hozzávetőleg 0,4-0,5 mm/év sebességű emelkedést produkál. Bár az eróziósebesség ennél az értéknél valószínűsíthetően jóval kisebb, okkal feltételezhető, hogy az elhelyezendő hulladékok veszélytelenné válási idején belül a felső mintegy 100-200 m-es kőzetzóna leterhelődik, fellazul, és jelenleg megismerhető izolációs viszonyai alapvetően megváltoznak. Természetesen az izolációs képesség megítélése nem egyszerűsíthető le csupán a hidraulikus vezetőképesség, vagy más hidrodinamikai paraméterek vizsgálatára. A 2004. előtt elvégzett vizsgálatok számos olyan egyéb sajátosságot és folyamatot tártak fel a BAF-al kapcsolatban, amely közvetlen összefüggésben áll az izolációs potenciállal. Ezek egy részének vonatkozásában már korábban is részletes geomatematikai vizsgálatok kezdődtek, amelynek eredményei alapján előzetesen azt valószínűsíthetjük, hogy a BAF a Nyugat-Mecsekben tanulmányozott elterjedési területén belül a földtani kifejlődés, ásvány-kőzettani összetétel és geokémiai jellemzők tekintetében viszonylag egységesnek, kis változékonyságúnak tekinthető. Különösen szembeötlő a formáció laterális értelemben vett nagyfokú homogenitása. Ez a homogenitás a BAF egyes rétegszintjein belül is igaz, viszont a korábbi kutatások alapján elkülönített, a keletkezés időszakán belül kis mértékben megváltozó üledékképződési környezetet tükröző három rétegszint (lásd. a 4.6. ábrán) ilyen értelmű összehasonlításához eddig kevés információ gyűlt össze. Az eddigi kutatási eredmények alapján az valószínűsíthető, hogy a végleges elhelyezésre a BAF felső 500-600 m vastagságú része javasolható leginkább. Mivel az 1994 és 1999 között kiépített, illetve üzemeltetett kutatóvágat a fedőtől számított mintegy 250-350 m-re lévő rétegszintet tárta fel, az ott tapasztalt kedvező kutatási eredmények alapján [33] ezt tekinthetjük az elhelyező létesítményt majdan befogadó rétegszakasznak.

A műszaki megvalósítási koncepciótervben – a fenti elemzést elfogadva, és a BAF fedőszintvonalas térképének ismeretében (lásd. a 4.7. ábrán) – egy olyan elvi, előzetes telephely került kiválasztásra a centrális blokkon belül, ahol egyszerre érvényesülhet a 700-800 m felszín alatti mélység, illetve a fedőtől számított 250-350 m távolság követelménye. Hangsúlyozni kell azonban, hogy ez egyelőre nem végleges és egyáltalán nem teljeskörűen alátámasztott döntés.

Az elhelyezési rendszer és az azzal szorosan összefüggő mérnöki gátrendszer tekintetében 2004 előtt egyáltalán nem folytak kutatási és tervezési munkálatok. Ezért az elhelyezési referenciaváltozat kiválasztásához is csak néhány, előzetes jellegű megfontolás vezethetett. Ezek a következők voltak: a nagy aktivitású hulladékok és a kiégett fűtőelemek közvetlen elhelyezésére a nemzetközi gyakorlatban általában mérlegelt megoldások közül:

  • Alapvető biztonsági megfontolások miatt a felszínről mélyített hosszú fúrólyukas elhelyezési rendszer egyáltalán nem jöhet szóba.

  • A föld alatti kutatólaboratóriumban 1995 és 1999 között elvégzett vizsgálatok alapján az valószínűsíthető, hogy a BAF tulajdonságai nem illeszkednek jól a vágat oldalában, horizontális irányban mélyített furatokba történő elhelyezéshez.

  • A szintes tárolóvágatok szelvényén belül történő elhelyezés elvileg ugyan nem zárható ki, ám e változat igazi előnye akkor domborodna ki, ha egy többcélú (szállító- és végleges elhelyező), robosztus konténer engedélyeztetésével és alkalmazásával feleslegessé válhatna a többszöri átrakodás. Amíg azonban erre még elvi lehetőség sincs, ezt a változatot érdemben nem célszerű vizsgálni.

  • A vágat talpából függőlegesen (vagy nagy dőlésszöggel) lefelé mélyített, akár több száz m hosszú fúrólyukakban történő elhelyezés (ahol a fúrólyuk teljes hosszát a potenciális befogadó képződményen belül kell kialakítani) egyelőre kísérleti jelleggel vizsgálják, de eddig egyetlen ország sem emelte a hivatalos koncepció szintjére. A későbbiekben elképzelhető, hogy a BAF kapcsán is elemezni kell ezt a változatot annak érdekében, hogy az elhelyezés tényleges mélységtartománya a teljes önzárás határmélysége felé tolódhasson.

  • A fentiek miatt a vágat talpából mélyített rövidebb, függőleges furatokban való elhelyezést tekintettük elsődleges referencia-változatnak. E megoldás nagy előnye, hogy a nemzetközi szakirodalom szerint gazdaságos telepítést és könnyebben beépíthető mérnöki védelmet biztosít. Nem utolsósorban azért is esett erre a választás, mivel a nemzeti koncepciók többsége szintén ezzel az elhelyezési geometriával számol, így – akár az előzetes műszaki tervezésnél, akár pedig a költségbecslés során megalapozott és részletes információkból lehetett kiindulni.

4.6. ábra - A BAF három rétegszintje és azok legfontosabb jellemzői

4.6 ábra A BAF három rétegszintje és azok legfontosabb jellemzői

4.7. ábra - A BAF fedőszintvonalas térképe

4.7 ábra A BAF fedőszintvonalas térképe