Odpady promieniotwórcze cz. 2.pdf

Również i w wypadku nie przewidywanego trzęsienia ziemi nie należy spodziewać się, że

pojemniki zostaną wyrzucone na wierzch. Wręcz przeciwnie – trzęsienie ziemi powinno je

zakopać jeszcze głębiej, a z powodów opisanych przed chwilą nie należy również obawiać się

problemu zniszczenia tych pojemników. Na dziś poważniejszym problemem mogą być

nagromadzone odpady choćby z przemysłu militarnego, przechowywane w pojemnikach

metalowych w tymczasowych składowiskach. Możliwości ich rozszczelnienia, czy

przeniknięcia radionuklidów do cieków wodnych należy rozważać serio 19 i podejmować

odpowiednie akcje zaradcze.

Alternatywą do szkliwienia (glazurowania) odpadów wysokoaktywnych jest uwięzienie ich w

strukturze krystalicznej odpowiedniego materiału. Tego typu materiał ceramiczny, utworzony

z trzech naturalnych minerałów, w których strukturę krystaliczną wbudowują się niemal

wszystkie pierwiastki obecne w odpadach promieniotwórczych, nazwany Synroc od ang.

Synthetic Rock (skała syntetyczna) 20 , został zaproponowany przez Teda Ringwooda z

Australii, a prace nad nim rozwijane są w Australii i USA. Głównym składnikiem Synrocu

jest dwutlenek tytanu, znajdujący się w materiale w 57.%. Pozostałe składniki dobiera się w

zależności od rodzaju odpadu. Są to takie minerały, jak holandyt (BaAl 2 Ti 6 O 16 ), cyrkonolit

(CaZrTi 2 O 7 ) i perowskit (CaTiO 3 ). W strukturę krystaliczną tych dwóch ostatnich minerałów

łatwo wbudowuje się pluton, a w perowskit można wbudować także stront i bar. Holandyt

więzi z łatwością cez, potas, rubid i bar. W odmianie ceramiki, zwanej Synroc-C ciężar

odpadów promieniotwórczych może sięgać 30% całości. Koncepcja ta, bardzo atrakcyjna ze

względu na spodziewaną stabilność, wymaga umiejętności rozdzielania i ewentualnie

transmutowania odpowiednich grup pierwiastków.

Następny krok, to składowanie. Jak dotąd nie znaleziono lepszych miejsc na składowiska niż

głębokie wyrobiska w skałach solnych, w których sól kamienna pozwala na skuteczne

odprowadzanie ciepła, a jednocześnie jest łatwa do drążenia. Składować można także w iłach

i granitach. Przechowywanie odpadów promieniotwórczych na poziomie 500 - 600 m pod

ziemią zapewnia niewątpliwie większe bezpieczeństwo niż przechowywanie ich na

powierzchni. Poziom promieniowania emitowanego w okresie, powiedzmy, 1000 lat

odpowiada promieniowaniu naturalnemu pierwiastków promieniotwórczych w 1000

metrowej warstwie skorupy ziemskiej. Składowanie głęboko pod ziemią jest od strony

technologicznej opanowane, niemniej jednak wciąż budzi obawy społeczeństw. Dziś (2006 r.)

bodaj jedynym czynnym składowiskiem geologicznym jest składowisko w New Mexico, te

jednak przeznaczone jest dla odpadów z przemysłu militarnego. Inne, planowane w USA w

Yucca Mountains wciąż czeka na ostateczną decyzję uruchomienia. W Europie najszybciej

powstanie w Finlandii niedaleko elektrowni jądrowej w Olkiluoto, patrz rys. 9.18. Szwecja

zamierza uruchomić około roku 2015 głębokie składowisko geologiczne w okolicy

miejscowości Oskarshamn.

Zwróćmy uwagę, że przechowanie wypalonego paliwa podlega tym samym ogólnym regułom

bezpieczeństwa, co wszystkie odpady promieniotwórcze, a regułą podstawową jest stworzenie

systemu wielu barier technologicznych. Taką barierę stanowi uwięzienie odpadów w szkle

lub innym materiale (np. synrocu), ewentualnie w postaci ceramicznych pastylek paliwowych,

stalowe kontenery, w których umieszczone są odpady, odpowiednia struktura bezpośredniego

otoczenia pojemników, zapobiegająca przedostawaniu się wody do pojemników, głębokie

19 E.Kastenberg, L.J.Gratton, Hazards of Managing and Disposing of Nuclear Waste , Physics Today, June 1997,

41-46

20 http://www.uic.com.au/nip21.htm

składowanie podziemne w skałach w obszarze tektonicznie stabilnym, wreszcie usytuowanie

składowiska w odpowiedniej odległości od siedzib ludzkich.

Składowisko

Szyb wentylacyjny

Główny poziom

kontrolny ok. 420 m

Tunel wejściowy

Niższy poziom

kontrolny ok. 520 m

Tunel składowiska

Szyb

wentylacyjny

Tunel wejściowy

Rys. 9.18 Projekt składowiska geologicznego odpadów wysokoaktywnych w pobliżu Olkiluoto w

Finlandii. Głębokość tunelu wejściowego i poziomu podstawowej charakteryzacji skały -

420 m. Długość tunelu 5,5 km, nachylenie 1:10. Dla wykonania składowiska trzeba

wykopać 330 mln m 3 skały.

System przechowywania wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych powoduje, że de

facto nie istnieje żadne poważne zagrożenie dla biosfery. Już po 200 latach przechowywania

tych odpadów zagrożenie stwarzane przez nie jest niższe od zagrożenia stwarzanego przez

odpady z elektrowni węglowych 21 i jest wciąż bez porównania mniejsze niż zagrożenie

21 A. Strupczewski, Czy mamy obawiać się odpadów radioaktywnych z elektrowni jądrowych?, Biuletyn

miesięczny, PSE 4 (2006) 5

radiologiczne związane z istnieniem rozproszonej (w przeciwieństwie do odpadów

promieniotwórczych) rudy uranowej w skorupie ziemskiej. W skali realnych zagrożeń nawet

maksymalne moce dawek okazują się pomijalnie małe (poniżej ok. 0,01 μSv/rok).

9.5 Reaktory w Oklo a problem składowania odpadów wysokoaktywnych

Wielokrotnie przywoływane już reaktory naturalne w Oklo stanowią bardzo interesujący

przykład tego, co się dzieje po ustaniu pracy reaktora, kiedy to pozostaje tylko wypalone

paliwo. Przypomnijmy, w miejscowości Oklo w Gabonie (rys. 9.19) w roku 1972

stwierdzono, że zawartość izotopu 235 U w uranie naturalnym jest wyraźnie mniejsza od

wartości średniej 0,7202(6)%, spotykanej w innych miejscach kuli ziemskiej i wynosi

0,7175(10)%. Kolejno znajdywano rudę uranową o zawartości 0,621% a nawet 0,440% tego

izotopu uranu. De facto znajdywano więc zubożony uran, typowa pozostałość po wypaleniu

paliwa jądrowego.

Rys. 9.19 Oklo – miejsce, w którym okolo 2 miliardów lat temu działały naturalne

reaktory jądrowe

Rys. 9.20 Obfitość (w procentach) występowania izotopów neodymu w neodymie

naturalnym (z lewej strony) i w neodymie znalezionym w Oklo (z prawej)

Oczywiście sam fakt istnienia zubożonego uranu nie mógł być jednoznacznym

potwierdzeniem działania reaktorów, zwrócono więc uwagę na produkty rozpadu. Jednym

takim produktem jest neodym. Obfitości jego izotopów w stanie naturalnym i znaleziona w

Oklo pokazuje rys. 9.20. Ewidentne różnice, w szczególności niemal brak izotopu 142 Nd oraz

silny wzrost zawartości izotopów 143 Nd i 145 Nd wskazywał jednoznacznie na to, że o składzie

izotopowym neodymu w Oklo decydowała reakcja rozszczepienia uranu-235, gdyż w wyniku

tej reakcji rozkład zawartości różnych izotopów w neodymie jest taki, jak pokazuje rys. 9.21.

Jeśłi do rozkładu przedstawionego dla próbek z Oklo wprowadzić korektę na skład izotopowy

naturalnego neodymu, wynik koncowy będzie w zasadzie identyczny z tym, który pokazuje

rys. 9.21, co jest mocnym dowodem, że w Oklo neodym w znacznym stopniu powstawał w

drodze rozszczepienia 235 U.

Rys. 9.21 Skład izotopowy neodymu wytworzonego jako produkt rozszczepienia

w reaktorze jądrowym

Reaktory w Oklo pracowały z przerwami od kilku lat do setek tysięcy lat. Naturalnym

moderatorem i reflektorem stawała się woda gruntowa. Istotnie, do utrzymania reakcji

łańcuchowej z moderatorem wodnym potrzebne jest wzbogacenie uranu w 235 U do około 3%.

Takie wzbogacenie w uranie naturalnym występowało około 1,45·10 9 lat temu (mniej niż 3

okresy połowicznego zaniku 235 U). Od zakończenia pracy reaktorów naturalnych minęło 2

miliardy lat. W tym czasie rozpadły się wszystkie produkty rozszczepienia, nawet te mające

T ½ rzędu miliona lat. Nawet gdyby cały uran w Oklo zamienił się w takie izotopy, jak 129 I,

135 Cs, i 107 Pallad (T ½ odpowiednio 1,7·10 7 , 2,3·10 6 i 6,5·10 6 lat), to dziś pozostałby mniej

niż 1 atom któregokolwiek z tych izotopów.

Istnienie procesu naturalnego rozpadu promieniotwórczego daje nam szczególne narzędzie do

mierzenia czasu. Rozpady takich izotopów jak 238 U, 87 Rb czy 147 Sm pozwalają nam oceniać

wiek Ziemi i procesy zachodzące w geologicznych skalach czasu. Zawartości izotopów 237 Np,

107 Pd i 109 I mówią nam o czasie, w którym np. pracowały reaktory w Oklo, ale także o

migracji produktów rozszczepienia w ciągu milionów lat. W końcu badanie zawartości takich

izotopów, jak 99 Tc, 239 Pu i 126 Sn pozwala określić czas pracy reaktora i tempo

przemieszczania się produktów rozszczepienia w skalach tysiącletnich.

Pierwszą, naturalną konstatacją obserwacji pozostałości po reaktorach w Oklo jest to, że

powstałe w nich odpady promieniotwórcze miały 2 miliardy lat na przemieszczanie się, a

jednak pozostały w miejscu! Druga obserwacja wiąże się ze sposobem pracy takiego reaktora.

Jest rzeczą oczywistą, że w trakcie pracy woda musiała ulegać silnemu podgrzaniu i

odparowywaniu (taki proces obejmował obszar o promieniu ok. 40 metrów od reaktora). W

wyniku tego procesu zaczynało w pewnym momencie brakować moderatora i reaktor

przerywał pracę, a wznawiał ją po kolejnym napłynięciu wody. Wydawałoby się zatem, że

takie ruchy wody powinny spowodować rozpłynięcie się uranu w glebie, a jednak tak się nie

stało.

Trzecia wreszcie obserwacja dotyczyła niespodziewanie znalezionego na terenie Oklo

ksenonu - i to nie w bogatych w uran ziarnach minerałów, lecz w nie zawierających uranu

kryształach fosforanu glinu. Rozkład izotopowy w tych kryształach był także dziwny:

izotopów 131 Xe i 132 Xe było więcej, a 134 Xe i 136 Xe – mniej niż w składzie izotopowym

ksenonu powstającego w wyniku rozszczepienia 235 U w reaktorze. Odpowiedzialne za ten

dziwny fakt procesy były następujące. Woda gruntowa przenikająca złoże działała jako

moderator, umożliwiając rozpoczęcie reakcji rozszczepienia uranu 235. Rozpad produktów

rozszczepienia szybko doprowadził do powstania ksenonu 134 i 136, jednak te gazowe atomy

miały tendencję do ulotnienia się na skutek rosnącej temperatury reaktora. Jod 131 i 132,

będące dłużej żyjącymi prekursorami ksenonu –zostały rozpuszczone i wymyte niemal

natychmiast po powstaniu. Mniej więcej 30 minut po tym, jak rozpoczynała się reakcja

rozszczepienia jądrowego, temperatura osiągała wartość, przy której większość wody

gruntowej wyparowywała, pozbawiając reaktor moderatora i przerywając reakcję

rozszczepienia. Niektóre atomy jodu 131 i 132 wytworzone przez uprzednie pół godziny były

zachowywane w resztkach w wodzie gruntowej, zatrzymanych pomiędzy mineralnymi

kryształami uranu. W związku z brakiem reakcji rozszczepienia utrzymującej wysoką

temperaturę ośrodka, temperatura złoża zaczynała stopniowo się zmniejszać. Po

rozpuszczeniu 131 I i 132 I w wodzie i dyfuzji do kryształów fosforanu glinu, temperatura

spadała, a substancje rozpuszczone w gorącej wodzie były wytrącane z roztworu, tworząc

minerały fosfatu glinu, w których był zawarty jod – prekursor izotopów 131 Xe i 132 Xe. Gdy

woda wracała, reakcja rozszczepienia zaczynała się znów i cały proces się powtarzał.

Analizując te dane widzimy, że mimo upływu dwóch miliardów lat, zarówno uran, jak i

neodym, jak i ksenon uwięziony w fosfacie glinu – wszystkie one pozostały na miejscu. My

zaś stosujemy wielokrotne warstwy w pojemnikach osłonnych i umieszczamy je w suchych i

stabilnych sztolniach według najlepszej sztuki inżynierskiej XXI wieku. Zagrożenie ze strony

odpadów wysokoaktywnych po przerobie paliwa wypalonego maleje poniżej zagrożenia od

istniejącej na świecie rudy uranowej już po upływie 300 lat. Możemy więc ufać, że

przechowywanie odpadów nawet przy obecnej technologii jest bezpieczne. A jak pokażemy

w kolejnym rozdziale bynajmniej nie zadowalamy się obecną technologią i wciąż próbujemy

zmniejszać ryzyko związane z wysokoaktywnymi odpadami promieniotwórczymi z

reaktorów.

We Francji i w Finlandii parlamenty tych krajów podjęły decyzje o budowie głębokiego

składowiska geologicznego dla wysokoaktywnych odpadów jądrowych. Gminy szwedzkie

wręcz konkurują o uzyskanie na swym terenie składowiska odpadów radioaktywnych, gdyż

nie uważają ich za groźne, natomiast w znaczący sposób podnoszące budżety gmin.

Niedawne badania opinii publicznej pokazały, że budowę w swych własnych

miejscowościach popiera 79 % mieszkańców Oskarhamn i 73% mieszkańców Osthammar.

Okazało się, że kompleks NIMBY ( Not In My BackYard - nie na moim podwórku) został

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: