Odpady promieniotwórcze cz. 2

Odpady promieniotwórcze cz. 2, Elektrownia jądrowa

[ Pobierz całość w formacie 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
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)
, 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
26
  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
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
27
 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)
28
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.
29
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
30
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl