Výzkum materiálů pro hlubinné úložiště radioaktivních odpadů

Přípravu hlubinného úložiště radioaktivních odpadů a použitého jaderného paliva (HÚ) nelze zúžit jen na hledání nejvhodnější lokality pro umístění. Jde o velmi složitý komplex činností, který zahrnuje stovky analýz, testů, simulací a dlouhodobých výzkumů prováděných in-situ (na místě) i v laboratorních podmínkách. Jedním z klíčových odborných partnerů Správy úložišť radioaktivních odpadů SÚRAO je ÚJV Řež, a. s. (ÚJV, dříve Ústav jaderného výzkumu).

Podrobný výzkum jevů, procesů a událostí, které se mohou vyskytnout v úložišti po dobu desítek tisíců let, je nezbytný pro porozumění jejich vlivu na bezpečnost úložiště. Cílem projektu SURAO nazvaného Výzkumná podpora pro bezpečnostní hodnocení hlubinného úložiště je získat vybraná data, modely, argumenty a další informace potřebné pro zhodnocení dlouhodobé bezpečnosti potenciálních lokalit pro umístění hlubinného úložiště. Hlavním koordinátorem projektu je ÚJV Řež, a.s. Velmi významnou měrou se na výzkumných pracích podílí oddělení Chemie palivového cyklu. Pojďme si alespoň ve stručnosti a zkratce představit některé úkoly, s nimiž se musejí vědci při svých výzkumech vypořádat. Vypovídá to totiž o tom, s jakou pečlivostí a do jakých detailů se HÚ projektuje. Hlavní výzkumné činnosti samotného oddělení se dají rozdělit do těchto základních oblastí:

• studium dlouhodobého chování materiálů, z nichž je vyroben ukládací obalový soubor,

• studium chování bentonitu, materiálu inženýrských bariér hlubinného úložiště (se zaměřením

na transportní vlastnosti),

• studium transportních vlastností cementových materiálů jako bariér hlubinného úložiště,

• studium transportních vlastností hornin potenciálních lokalit pro umístění HÚ a transport radionuklidů v tomto prostředí,

• hodnocení bezpečnosti HÚ.

Jak na korozi

Vyhořelé jaderné palivo a radioaktivní odpad bude uložen v pečlivě uzavřených ukládacích obalových souborech. Ty musejí vykazovat mimořádnou odolnost proti korozi. A proto se v rámci výzkumů simulují předpokládané podmínky, jimž bude ukládací obalový soubor v průběhu tisíců let v úložišti vystaven.

Korozní zkoušky v laboratoři

Pro laboratorní korozní zkoušky byly vybrány materiály, které by měly v budoucnu tvořit základ konstrukce ukládacího obalového souboru. V současné době se zvažuje několik variant konstrukce, které počítají buď s použitím korozivzdorné (vnitřní pouzdro) a uhlíkové (vnější plášť) oceli, nebo s uhlíkovou ocelí pro vnitřní pouzdro a titanovou slitinou či mědí pro vnější plášť. Výzkum je zaměřen zejména na ověření vlastností vybraných materiálů po jejich uzavření, a to především v podmínkách anaerobních (bez kyslíku). Zkoušky jsou navrženy tak, aby simulovaly podmínky hlubinného úložiště, kterým dané materiály budou vystaveny, a je vzato v úvahu, zda daný materiál bude tvořit vnější plášť či vnitřní pouzdro obalového souboru. Experimentální plán zahrnuje např. testování vlivu ionizujícího záření a chování materiálu ve styku s bentonitem.

Korozní zkoušky v podzemí

Korozní parametry jsou ale ověřovány i in-situ v reálném prostředí horninového masivu, které je svými charakteristikami velmi podobné situaci v budoucím hlubinném úložišti. ÚJV Řež, a.s., je jako hlavní dodavatel SÚRAO zapojen do rozsáhlého mezinárodního projektu Material Corrosion

Test (MaCoTe), který probíhá ve švýcarské podzemní laboratoři Grimsel Test Site v hloubkách kolem 600 metrů.

Projekt MaCoTe

V rámci tohoto projektu probíhají dva typy experimentů. První simuluje podmínky v počátcích anaerobní fáze hlubinného úložiště, tedy v prostředí bez přítomnosti kyslíku a při zvýšené teplotě, z důvodu zbytkového tepla z vyhořelého jaderného paliva. Vzorky vybraných materiálů (měď, uhlíková ocel) jsou umístěny v jednotlivých modulech (konstrukce ÚJV) a obklopeny buď sodným bentonitem, nebo vápenato-hořečnatým bentonitem české provenience. Tyto moduly jsou umístěny ve vrtech cca 5 m hlubokých v podmínkách bez kyslíku. Jednotlivé moduly budou vyjímány po určitém časovém intervalu – po 1, 2, 5 a 7 letech, aby bylo možné sledovat časovou závislost koroze vybraných materiálů, což umožní získat představu o jejich chování v daných podmínkách a zároveň předpovědět budoucí vývoj.

Druhý typ experimentů s materiály všech partnerů projektu, tedy s uhlíkovou ocelí, měděnými nástřiky, mědí a korozivzdornou ocelí, simuluje podmínky časově vzdálenějšího období

vývoje hlubinného úložiště, tedy opět v anaerobním prostředí, ale za teploty odpovídající okolnímu prostředí.

Spolehlivý bentonit

Materiál zvaný bentonit představuje jednu z klíčových součástí budoucího úložiště. Jednoduše řečeno jde o horninu, která vzniká zejména zvětráváním pyroklastik (sopečného materiálu), s vysokým obsahem jílových minerálů. Má vynikající a zcela specifické vlastnosti, jako je bobtnavost a vysoká sorpční schopnost. Právě kvůli nim je bentonit pokládán za ideální materiál k „utěsnění“ ukládacích obalových souborů v úložišti. Na bentonit jsou kladeny různé fyzikálně-chemicko-technické požadavky, které musí plnit po celou dobu životnosti HÚ. Proto je nutné analyzovat jeho vlastnosti a dlouhodobé chování. Bentonitová bariéra obklopující ukládací obalové soubory totiž bude dlouhodobě vystavena například působení zvýšené teploty (z vyhořelého jaderného paliva) či podzemní vody a navíc bude ve styku s obalovým souborem, okolní horninou i dalšími materiály. Proto je s výzkumem bentonitů spojena významná část prací v oblasti hlubinného ukládání. Jako referenční pro české úložiště slouží komerční produkt vápenato-hořečnatého bentonitu s vysokým obsahem jílových minerálů z českých zdrojů.

Vlastnosti bentonitu

Studium specifických vlastností bentonitu je vždy nutné podložit komplexní chemicko-mineralogickou charakteristikou. Zejména je nutná znalost mineralogického složení a zastoupení jednotlivých minerálů s důrazem na obsah jílových minerálů, které propůjčují bentonitu jeho specifické vlastnosti. Důležitým parametrem je kationtová výměnná kapacita a zastoupení jednotlivých kationtů v mezivrství či specifický povrch. Z dalších důležitých vlastností, které pracoviště ÚJV může stanovit, je saturace bentonitu, bobtnací tlak či propustnost. Velmi podstatným parametrem, který často slouží jako vstup pro modelovací i experimentální práce, je definování složení pórové vody bentonitu. Získat chemické složení pórové vody kompaktovaného bentonitu experimentálně je v některých případech téměř technicky nemožné. Proto je vhodné pro stanovení této bentonitové pórové vody použít kombinaci experimentálních metod a geochemického modelování.

Transportní parametry bentonitu

Významná část experimentálních prací je zaměřena na stanovení transportních vlastností bentonitu ve vztahu k potenciálnímu transportu radionuklidů směrem k horninovému prostředí. Základním transportním procesem radionuklidů v bentonitu je difúze, tj. pohyb látky ve směru nižšího koncentračního gradientu. Experimentální práce jsou založeny na tzv. průnikových difúzních experimentech, které sledují difúzi stopovače (radionuklidu, např. ³H, ³⁶Cl, ¹²⁵I) ze vstupního rezervoáru přes vzorek do výstupního reservoáru, ve kterém je pouze roztok bez stopovače. Hlavní přínos použité metody spočívá ve stanovení efektivního difúzního koeficientu, který je jedním z parametrů popisujících transportní chování v bentonitové bariéře HÚ. Difúzní koeficient je důležitým parametrem sloužícím jako vstup do modelů pro celkové hodnocení bezpečnosti HÚ. Změny v difúzním chování sledovaných látek také souvisejí se změnami ve vlastnostech bentonitové bariéry (např. homogenitě, porozitě, sorpčních vlastnostech, mineralogických a chemických změnách bentonitu a změnách ve složení pórové vody). Je tedy potřeba všechny tyto související parametry charakterizovat společně. Obdobným způsobem je nutno charakterizovat další složku inženýrských bariér, již představují cementové materiály (betony).

Studium interakcí bentonitu

Bentonit není jediný materiál použitý v HÚ, a jednotlivé materiály bariér se budou mezi sebou ovlivňovat. Vznikají rozhraní typu bentonit a okolní hostitelská hornina, bentonit a beton (betonové kontejnery, konstrukční prvky) nebo bentonit a ukládací obalový soubor. Na jednotlivých rozhraních dojde k poměrně ostré změně fyzikálně-chemických podmínek, které mohou vést ke změně vlastností bentonitu, které jsou klíčové pro jeho správnou funkci. Řadu reakcí a změn na rozhraních, k nimž může v úložišti docházet, odborníci z ÚJV pečlivě zkoumají a analyzují.

ÚJV Řež, a. s.

Tradice a zkušenosti ÚJV Řež, a. s., v oboru sahají až do roku 1955. Představuje jednu z nejvýznamnějších institucí zabývajících se technologií a výzkumem v oblasti jaderné, konvenční či udržitelné energetiky, produkcí radiofarmak či nakládáním s radioaktivními odpady. Jen pro představu, v současné době je ÚJV Řež, a. s., zpracovatelem více než 90 % radioaktivních odpadů v ČR, vznikajících v institucionální sféře, tedy v průmyslu, nemocnicích a ve výzkumu. Kompetence ÚJV Řež, a. s., v této oblasti se odrážejí mimo jiné i v tom, že plní roli hlavního koordinátora projektu „Výzkumná podpora pro bezpečnostní hodnocení HÚ“.

Autorka

RNDr. Václava Havlová, Ph.D., vystudovala geochemii (magisterské i postgraduální studium) na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy, kde se nejdříve zabývala migrací těžkých kovů v životním prostředí a následně migrací radionuklidův horninovém prostředí. V současné době je vedoucí oddělení Chemie palivového cyklu ÚJV Řež, a. s., a vedoucím technickým koordinátorem projektu „Výzkumná podpora bezpečnostního hodnocení hlubinného úložiště“ a spolupodílí se např. i na řešení projektu „Long term diffusion (LTD) Phase III.“ či na projektu „Studie uzavření ÚRAO Bratrství“.

(Článek převzat se svolením SÚRAO z materiálu Zprávy ze Správy, jaro 2017)

Václava Havlová