Postępowanie z wysokoaktywnymi odpadami promieniotwórczymi – głębokie składowiska geologiczne.

Wstęp

Podczas wieloletniej eksploatacji reaktorów elektrowni jądrowej powstają odpady promieniotwórcze, które mogą mieć szkodliwy wpływ na ludzi oraz środowisko naturalne. Zgodnie z polskim Prawem Atomowym są to „materiały stałe, ciekłe lub gazowe, zawierające substancje promieniotwórcze lub skażone tymi substancjami, których wykorzystanie jest niecelowe lub niemożliwe”. Z definicji tej wynika, że praktycznie za odpady promieniotwórcze mogą być uznane wszystkie urządzenia i materiały wykorzystywane w zakładach w jakikolwiek sposób związanych z przemysłem jądrowym, a więc w warunkach Polskich przede wszystkim w medycynie nuklearnej, chemii i technice jądrowej.

Materiały te oczywiście różnią się między sobą aktywnością i długością życia, a więc potencjalnie szkodliwym oddziaływaniem na otoczenie, jak również okresem, przez jaki muszą być przechowywane w sposób zapewniający odizolowanie od środowiska.

Z eksploatacją elektrowni jądrowej wiąże się powstawanie wypalonego paliwa jądrowego, zawierającego m.in. wysokoaktywne i długożyciowe produkty rozpadu uranu. Wypalone paliwo jądrowe wymaga długotrwałego magazynowania, a potem może być poddawane specjalnemu procesowi jego przerobu i unieszkodliwiania. Produkty przerobu paliwa wypalonego są wysokoaktywnymi odpadami promieniotwórczymi, wymagającymi odpowiedniego zabezpieczenia i składowania    w miejscach uniemożliwiających bezpośredni dostęp człowieka oraz ograniczających wpływ na środowisko naturalne. Społeczność międzynarodowa doszła do wniosku, że najlepiej nadają się do tego celu głębokie składowiska geologiczne, chronione przed wspomnianymi wcześniej czynnikami, jak również zapewniające izolację zmagazynowanych w nich odpadów promieniotwórczych od środowiska naturalnego przez kilkusetmetrową nieprzepuszczalną warstwę skał.

Klasyfikacja odpadów promieniotwórczych.

Odpady powstające w cyklu życia elektrowni jądrowej dzieli się na kilka grup, różniących się między sobą aktywnością i okresem półrozpadu, a więc szkodliwością dla otoczenia i czasem przez jaki muszą być bezpiecznie odizolowane od środowiska. Aby ułatwić państwom członkowskim ustalanie norm dotyczących ich podziału, Międzynarodowa Agencja Energetyki Atomowej przedstawiła propozycję klasyfikacji dla odpadów stałych *:

* Dokładną polską klasyfikację można znaleźć w Rozporządzeniu Rady Ministrów z dnia 3 grudnia 2002 r. w sprawie odpadów promieniotwórczych i wypalonego paliwa jądrowego (Dz. U. nr 230, poz. 1925).

  1. Odpady wyłączone (Exempt waste – EW) – zawierają tak niskie stężenia radionuklidów (zbliżone do poziomu tła), że nie wymagają żadnych środków ochrony przed promieniowaniem, przechowuje się je tak, jak odpady konwencjonalne.
  2. Odpady bardzo krótkożyciowe (Very short live waste – VSLW) – zawierają wyłącznie radionuklidy o bardzo krótkim czasie połowicznego zaniku (do 100 dni), po sprasowaniu są przechowywane w miejscu wytworzenia aż do spadku radioaktywności do poziomu odpadów wyłączonych.
  3. Odpady bardzo niskoaktywne ( Very low level waste – VLLW) – o stężeniu radionuklidów poniżej grupy EW, mogą stanowić ograniczone zagrożenie i jako takie są przechowywane w składowiskach powierzchniowych.
  4. Odpady niskoaktywne (Low level waste – LLW) – zawierają małe stężenia radionuklidów długożyciowych, bądź duże krótkożyciowych. Są przeznaczone do składowania w składowiskach płytkich (do kilkudziesięciu metrów) przez okres do około 300 lat. Przypisano im orientacyjne poziomy aktywności (zależne od rodzajów i ilości barier) do średnio 400 Bq/g dla promieniowania alfa, oraz poziom kilkudziesięciu kBq/g dla beta i gamma.
  5. Odpady średnioaktywne (Intermediate level waste – ILW) – wymagają lepszej i dłuższej izolacji od otoczenia, niż w przypadku poprzedniej grupy, przede wszystkim przez dłuższy okres półrozpadu. Orientacyjny poziom ich aktywności to 106 – 1010 Bq/kg. Wskazane dla nich jest składowanie na głębokości od kilkudziesięciu do kilkuset metrów, co ogranicza możliwość przeniknięcia do środowiska w dłuższej perspektywie czasowej.
  6. Odpady wysokoaktywne (High level waste – HLW) – zawierają duże ilości wysokoaktywnych radionuklidów. Określono dla nich orientacyjny poziom aktywności – 104 – 106 TBq/m3 i po kilkudziesięcioletnim okresie chłodzenia planowane jest ich długoterminowe przechowywanie  w  formacjach geologicznych. Do grupy tej należy przede wszystkim wypalone paliwo z elektrowni jądrowych jak również odpady z jego przerobu.

 klasyfikacja_odpad_w_radioaktywnych__na_podstawie_

Rysunek 1 Klasyfikacja odpadów radioaktywnych, na podstawie [1]
[ Źródło: Classification of radioactive waste, IAEA standards for protecting people and the environment – General Safety Guide No. GSG-1, IAEA, Vienna 2009, s. 7]

Przyjmuje się, że roczna eksploatacja bloku wielkości 1GW powoduje wytworzenie 300 m3 średnioaktywnych i niskoaktywnych odpadów promieniotwórczych różnej gęstości (wydaje się to dużo, lecz właściwego oszacowania skali trzeba wiedzieć, że 50 m basen olimpijski ma objętość 2500 m3 a więc ponad ośmiokrotnie więcej) oraz 1,5 m3 wysokoaktywnego, wypalonego paliwa [2]. Warto wspomnieć, że w tej niewielkiej ilości odpadów wysokoaktywnych zawiera się 95% radioaktywności [3].

Dla porównania taka sama moc zainstalowana w bloku węglowym (a więc takim, w jakim produkowane jest około 90 % polskiej energii elektrycznej) powoduje wytworzenie 20 milionów ton popiołu, które gdyby były poddane wymogom dla przemysłu jądrowego należałoby składować tak jak odpady nisko-aktywne (ok. 200 Bq/kg) [4].

Postępowanie z odpadami nisko i średnioaktywnymi

Składowanie odpadów innych, niż wysokoaktywne jest dobrze opanowane i od wielu lat wdrożone na całym świecie. W Polsce za tego typu działalność odpowiada Zakład Unieszkodliwiania Odpadów Promieniotwórczych (ZUOP), który od roku 1961 bezpiecznie zarządza Krajowym Składowiskiem Odpadów Promieniotwórczych w Różanie (KSOP) na Mazowszu, zlokalizowanym w dawnym forcie wojskowym.

Zanim odpady trafią do składowiska są kondycjonowane, czyli przygotowywane do długotrwałego i bezpiecznego przechowywania. Proces ten obejmuje zmniejszanie objętości poprzez sprasowanie, zestalanie, zatapianie w trudno przepuszczalnym materiale, takim jak beton, asfalt lub żywica i zapakowanie w szczelny pojemnik osłonowy. Tak zabezpieczone odpady przewożone są na miejsce składowania i umieszczane w warunkach zapewniających dokładne odizolowanie od środowiska zewnętrznego. W przypadku KSOP w Różanie są to betonowe budowle o grubości ścian 1,2 – 1,5 metra.

Składowisko i jego otoczenie jest monitorowane radiologicznie przez kilka niezależnych instytucji. Dawki promieniowania gamma otrzymywane przez mieszkańców Różana nie odbiegają od tych dla reszty kraju, pochodzących wyłącznie od źródeł naturalnych [5]. Po roku 2020 wobec zapełnienia składowiska konieczna będzie budowa nowego.

Postępowanie z odpadami wysokoaktywnymi

Od początków istnienia przemysłu jądrowego zdawano sobie sprawę z problemów, jakie stwarzają odpady promieniotwórcze, zwłaszcza długożyciowe i wysokoaktywne. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat opracowano różne koncepcje ich przechowywania, od składowania w płytkich, tymczasowych przechowalnikach, poprzez zatapianie w oceanie, magazynowanie w formacjach geologicznych i odwiertach, aż po wysyłanie w przestrzeń kosmiczną. Część z nich została zakazana międzynarodowymi konwencjami (zatapianie, składowanie w lodzie antarktycznym), części nie zrealizowano ze względu na koszty (przestrzeń kosmiczna), inne projekty (iniekcja skalna) zostały zaniechane ze względu na niepewność dotyczącą zachowania się odpadów.

foratom_int_fuel_cycle_fuel_assembly_279x186 foratom_int_fuel_cycle_fuel_assembly_02_278x185 
Kasety z paliwem jądrowym, źródło: foratom.org

Obecnie najbardziej rozpowszechnione są przechowalniki znajdujące się w miejscach wytworzenia odpadów oraz centralne krajowe składowiska powierzchniowe i płytkie. Rosnąca ilość odpadów, przede wszystkim wysokoaktywnych wymusiła jednak podjęcie prac nad głębokimi składowiskami geologicznymi – w odwiertach, opuszczonych kopalniach, bądź wyrobiskach solnych.

Powody budowy i wymagania stawiane składowiskom geologicznym

Podstawową zasadą, wyznawaną podczas procesu wyboru lokalizacji i budowy składowiska jest jego długoterminowe bezpieczeństwo i uniemożliwienie emisji radionuklidów do otoczenia, zapewnione przez trwałość bariery geologicznej, bez dozoru od chwili jego zamknięcia. Miejsca wybrane na składowiska muszą więc być asejsmiczne, niezatapialne (brak zagrożenia ze strony powodzi, jak również podziemnych cieków wodnych), nieprzydatne gospodarczo (brak bogactw kopalnych) i możliwie oddalone od skupisk siedzib ludzkich.

Podczas procesu wyboru lokalizacji analizuje się dane dotyczące przede wszystkim [6]:

  1. Rodzaju formacji geologicznej, w której zostanie umiejscowione składowisko (głębokość, wytrzymałość struktur).
  2. Przewidywanych przyszłych zmian środowiska naturalnego. Wymagana jest odporność na czynniki sejsmiczne, wulkaniczne i tektoniczne, jak również możliwe zmiany klimatu.
  3. Hydrogeologii – identyfikowane są cieki wodne i ich ewentualny wpływ na trwałość i odizolowanie składowiska.
  4. Geochemii – analizowana jest możliwość rozprzestrzeniania się radionuklidów poza składowisko, w wyniku czynników fizykochemicznych takich jak m.in. sorpcja, dyfuzja i oddziaływania chemiczne oraz biologiczne.
  5. Oddziaływania człowieka – wybierane są miejsca odległe od wszelkiego rodzaju złóż bogactw naturalnych, co minimalizuje ryzyko zainteresowania składowiskiem w dalekiej przyszłości.
  6. Łatwość transportu odpadów do składowiska – analizowane są możliwości budowy dróg dojazdowych.
  7. Ochronę środowiska naturalnego – analizowany jest możliwy wpływ składowiska na degradację natury.

 


Plany i stan na dziś

Do tej pory zbudowano na całym świecie kilkanaście ośrodków badawczych, w których zbierane są dane na temat zachowania się odpadów promieniotwórczych w głębokich składowiskach. Powstało także kilka składowisk „przemysłowych”, w żadnym z nich nie składuje się jednak wypalonego paliwa (choć w zlokalizowanym w USA składowisku WIPP są przechowywane wysokoaktywne odpady powstałe w wyniku produkcji broni jądrowej). W najbliższym stuleciu na całym świecie planowane jest wybudowanie kilkunastu składowisk odpadów wysokoaktywnych, jednak po zamknięciu projektu Yucca Mountain w USA jedynym będącym obecnie w fazie konstrukcji jest Onkalo w Olkiluoto w Finlandii.

Przykład – Onkalo (Finlandia)

Historia
Prace nad koncepcją głębokiego składowania wypalonego paliwa i odpadów wysokoaktywnych rozpoczęły się wraz ze startem fińskiego programu energetyki jądrowej w latach siedemdziesiątych XX wieku. W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych na terenie Finlandii przeprowadzono szereg badań dotyczących potencjalnych lokalizacji składowiska, które pozwoliły na wskazanie w 1999 roku Olkiluoto. Decyzja ta została dwa lata później zatwierdzona przez fiński parlament. Prace budowlane rozpoczęto w 2004 roku, otwarcie planowane jest na rok 2020.

Ogólna charakterystyka
Składowisko znajduje się około 185 kilometrów na północny zachód od Helsinek, na wyspie Olkiluoto. Miejsce zostało wybrane ze względu na bliskość elektrowni jądrowej, dzięki czemu uniknie się konieczności transportowania odpadów na duże odległości. Główne poziomy, na których będą składowane odpady mają się znajdować na głębokości 420 i 520 m poniżej poziomu morza a dostęp do nich zostanie zapewniony pięciokilometrowym, spiralnym tunelem o nachyleniu 1/10 oraz szybem z windą. Do dnia 08.08.2012 udało się wydrążyć tunele do głębokości 455 m. Pod koniec roku 2012 firma Posiva Oy (dostawca rozwiązania i konstruktukcji) wystąpiła o licencję na budowę instalacji składowiska na odpowiednich głębokościach, otwarcie zaplanowano na rok 2020. Łączna objętość składowiska wynosić będzie 365 tys. m3 Docelowo ma pomieścić około 28 tys. ton wypalonego paliwa i zostać zapełnione oraz zamknięte na zawsze około roku 2120 [7].

posiva_oy_fi_onkalo_16_570x374
Budowa składowiska Onkalo, źródło: źródło: posiva.fi

Przewidywany koszt inwestycji to 3 miliardy euro, z czego 650 milionów kosztować będzie sama budowa składowiska, a reszta przeznaczona zostanie na obsługę i zamknięcie składowiska. Kwota ta wydaje się bardzo duża, lecz należy pamiętać, że zaledwie ¼ wydana zostanie już, a pozostałe ¾ zostanie rozłożone na 100 lat działania składowiska. Budowa jest finansowana z podatku odprowadzanego przez operatorów fińskich elektrowni jądrowych [8].

rysunek_2___schemat_sk_adowiska_onkalo__na_podstawie__7__system_kbs-3__359x275
Rysunek 2. Schemat składowiska Onkalo, na podstawie [7] System KBS-3 zakłada, że po wypełnieniu składowiska tunele dostępowe zostaną zasypane i cały kompleks nigdy już nie będzie otwierany.
[Źródło: E. Palonen: Finnish experience Facility Design and ONKALO, Blue Ribbon Commision Open Meeting,
Eurajoki (prezentacja), s. 15]

 

posiva_oy_fi_onkalo_22_564x325
Model składowiska Onkalo, źródło: źródło: posiva.fi


Bariery ochronne

System barier mających zapewnić szczelność składowiska oparto na szwedzkiej koncepcji KBS-3. Oznacza to, że wypalone paliwo, po około trzydziestoletnim okresie chłodzenia, jest zamykane za pomocą wiązki elektronów w pojemnikach ze stali, wkładanych w kolejne, tym razem miedziane kanistry. Pojemniki te są otaczane izolującą warstwą bentonitu, który zapewnia dodatkową izolację i zabezpiecza przed wilgocią. Dopiero tak przygotowany „pakiet” trafia do podziemnego składowiska z litego granitu, w którym jest umieszczana pionowo w warstwie betonu pod poziomem tunelu dostępowego w tak zwanej niszy depozytowej [9][10].

System KBS-3 zakłada, że po wypełnieniu składowiska tunele dostępowe zostaną zasypane i cały kompleks nigdy już nie będzie otwierany.

rysunek_2___schemat_sk_adowiska_onkalo__na_podstawie__7__system_kbs-3_417x226
Rysunek 2. Schemat składowiska Onkalo, na podstawie [7] System KBS-3 zakłada, że po wypełnieniu składowiska tunele dostępowe zostaną zasypane i cały kompleks nigdy już nie będzie otwierany.
[Źródło: E. Palonen: Finnish experience Facility Design and ONKALO, Blue Ribbon Commision Open Meeting, Eurajoki (prezentacja), s. 15]

Podsumowanie

Zapewnienie rozwiązania problemu składowania odpadów wysokoaktywnych ma kluczowe znaczenie dla przyszłości przemysłu jądrowego. Wraz z rozwojem energetyki jądrowej przybywać będzie odpadów z wypalonego paliwa, które trzeba będzie bezpiecznie składować przez tysiące lat. Jedynym rozwiązaniem, które jest w stanie zapewnić w tym czasie wysoki poziom bezpieczeństwa i odizolowania od środowiska wydają się być głębokie składowiska, w których odpady otoczone kilkoma warstwami osłony „inżynierskiej” umieszczone są pod kilkusetmetrową warstwą nieprzepuszczalnej skały.

Obawy budzić może los odpadów pozostawionych bez nadzoru przez tysiące lat, lecz pewnych dowodów na bezpieczeństwo tego rozwiązania dostarczyła nam jednak sama natura. W Oklo położonym w afrykańskim Gabonie przy okazji eksploatacji złóż uranu natrafiono na produkty rozszczepienia, będące efektem działania naturalnego "reaktora  jądrowego" sprzed około 1,8 miliarda lat. Warstwa skał, w której się te produkty znajdowały skutecznie zatrzymała ich migrację aż po dziś dzień (oczywiście nie było tam warstwy osłon inżynierskich, lecz „goły” wypalony uran, a więc z naszego punktu widzenia odpady [12].

Pomimo rozwoju obiecujących technologii przerobu i wykorzystania wypalonego paliwa, jak choćby możliwość spalenia znaczącej jego części w reaktorach IV generacji, zawsze pozostaną odpady wymagające składowania, przez co odpowiednie składowiska będą musiały zostać wybudowane w kilkudziesięcioletniej perspektywie czasowej.

BIBLIOGRAFIA
[1] Classification of radioactive waste, IAEA standards for protecting people and the environment, IAEA, Vienna 2009
[2] http://www.iaea.org/Publications/Factsheets/English/manradwa.html
[3]http://www.nda.gov.uk/ukinventory/documents/Reports/upload/2010-UK-Radioactive-Waste-Inventory-Summary-of-the-2010-Inventory.pdf
[4]  http://www.epa.gov/radiation/tenorm/coalandcoalash.html
[5] http://www.zuop.pl/ksop.html
[6] Siting of geological disposal facilities – a safety guide, IAEA, Vienna 1994
[7] E. Palonen: Finnish experience Facility Design and ONKALO, Posiva Oy
[8] http://www.posiva.fi/en/final_disposal/total_costs_and_funding_for_final_disposal
[9] E. Palonen, S. Mustonen, T. Aikas:Underground repository facility for nuclear waste –underground characterization and research facility Onkalo, Posiva Oy, Finland
[10] http://www.posiva.fi/en/final_disposal/the_principles_for_final_disposal
[11] http://www.skb.se/Templates/Standard____24109.aspx
[12] B. Nagy, M. J. Rigali: Newly discovered, organic matter-rich natural fission reactors at Oklo and Bangombé: Are they useful analogs for long-term anthropogenic nuclear waste containment?, Waste Management ‘93 Conference Proceedings

Źródło: EKOATOM, autor: Maciej Lipka

 
Share on FacebookTweet about this on TwitterGoogle+Print this page