Głębokie składowiska długożyciowych, wysokoaktywnych odpadów radioaktywnych z uwzględnieniem roli minerałów ilastych

• Autorzy: Przelaskowska Anna , Łykowska Grażyna

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2024.11.02

Warianty tytułu

EN

Deep repositories of long-lived, high-level radioactive waste with a focus on the role of clay minerals

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W związku z planami rozwoju energetyki jądrowej w Polsce istotnym zagadnieniem staje się problem składowania odpadów promieniotwórczych. Najbezpieczniejszą opcją dla długożyciowych odpadów wysokoaktywnych, do jakich zalicza się wypalone paliwo jądrowe, są składowiska zlokalizowane w głębokich strukturach geologicznych. System głębokiego składowania odpadów promieniotwórczych, gwarantujący długotrwałe bezpieczeństwo, jest oparty na koncepcji wielobarierowej, obejmującej bariery naturalne, jakimi są różne ośrodki skalne, oraz bariery inżynierskie. Skały i minerały ilaste mogą pełnić dwojaką funkcję w składowaniu odpadów promieniotwórczych. Formacje ilaste stanowią naturalne bariery ochronne, w tej roli wykorzystywane są np. we Francji formacje ilaste Callovo-Oxfordian i w Szwajcarii formacje Opalinus Clay. Z drugiej strony skały ilaste o dużych właściwościach pęczniejących, takie jak bentonity, wchodzą w skład geotechnicznych systemów barier (ang. engineered barrier systems, EBS). Wykorzystanie bentonitów w roli bufora w składowiskach odpadów promieniotwórczych jest związane z właściwościami takimi jak: dominacja transportu dyfuzyjnego i niska przepuszczalność, wysokie zdolności absorpcyjne i dobre właściwości pęczniejące, umożliwiające samouszczelnienie. W pracy dokonano przeglądu istniejących i planowanych głębokich składowisk odpadów wysokoaktywnych na świecie. Przykładem takiego składowiska jest obiekt w szwedzkim Forsmark, zaprojektowany z wykorzystaniem metody KBS-3. W metodzie tej wypalone paliwo jądrowe składowane jest najpierw przez 30 lat w składowisku pośrednim, a następnie zostaje umieszczone w miedzianych kapsułach z żeliwnym wkładem. Kapsuły są otoczone warstwą buforu bentonitowego o grubości 2 m i składowane na głębokości około 500 m w granitowych skałach. Bufor bentonitowy odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu podstawowych funkcji bezpieczeństwa, czyli ograniczenia (całkowita izolacja odpadów) i opóźnienia (zmniejszenie tempa migracji radionuklidów w razie niepowodzenia izolacji, np. rozszczelnienia kapsuł). W pracy przedstawiono różne funkcje bezpieczeństwa zapewniane przez minerały ilaste, a także metody badawcze stosowane w analizach iłów wykorzystywanych w składowiskach odpadów promieniotwórczych. Wieloletnie, szeroko zakrojone badania dotyczące zarówno lokalizacji składowiska, jak i roli barier geotechnicznych mających sprawować funkcję ochronną przed ewentualnymi zagrożeniami są niezbędne ze względu na konieczność zabezpieczenia odpadów na bardzo długi czas bez ingerencji człowieka.

EN

In light of plans for nuclear power development, radioactive waste storage is becoming an important issue in Poland. The safest option for long-lived, high-level waste, including spent nuclear fuel, involves repositories located in deep geological structures. The deep disposal system for nuclear waste, which guarantees long-term safety, is based on a multi-barrier concept with natural barriers (host rock) and engineered barrier systems. Clay minerals and rocks can be used both as host rock, as in France (Callovo-Oxfordian Clay formations) and Switzerland (Opalinus Clay formations), and as key elements of the geotechnical barrier systems (EBS). The use of bentonites as a buffer in radioactive waste repositories is related to properties such as: dominance of the diffusive transport, low permeability, high absorption capacity, and high swelling properties, which enable self-sealing of the buffer. This paper reviews existing and planned deep repositories for high-level waste worldwide. An example of such a repository is the facility in Forsmark, Sweden, designed using the KBS 3 method. In this method, spent nuclear fuel is stored in an intermediate repository for 30 years and then placed in copper canisters with cast iron liners. The canisters are surrounded by a 2 m thick layer of bentonite buffer and stored at a depth of about 500 m in granite rock. The bentonite buffer plays a key role in providing the basic safety functions of containment (complete isolation of waste) and retardation (reducing the rate of radionuclide migration in the event of isolation failure, such as canister leaks). This paper presents several safety functions provided by clay minerals and various investigation methods of clays used in radioactive waste repositories. Many years of extensive research into both the location of the repository and the role of geotechnical barriers are necessary because of the need to secure the waste for a very long time without human intervention.

Słowa kluczowe

PL

głębokie składowisko odpadów radioaktywnych; bariera geotechniczna; bentonit; transport dyfuzyjny; właściwości pęczniejące

EN

deep repository of nuclear waste; engineered barrier; bentonite; diffusive transport; swelling properties

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 80, nr 11
• Strony: 679--688
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz.

Twórcy

autor

Przelaskowska Anna

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Łykowska Grażyna

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Alcolea Rodríguez A., Marschall P., Nussbaum C., Becker J.K., 2019. Automatic interpretation of geophysical well logs. [W:] Norris F.,
• Neft E.A.C., Van Geet M. (eds.). Multiple roles of clays in radioactive waste confinement. Geological Society, London, Special Publications, 482: 25–38. DOI: 10.1144/SP482.9.
• Dagher E.E, Nguyen T.S., Infante Sedano J.A., 2018. Development of a mathematical model for gas migration (two-phase flow) in natural and engineered barriers for radioactive waste disposal. [W:] Norris F., Neft E.A., Van Geet M. (eds.). Multiple roles of clays in radioactive waste confinement. Geological Society, London, Special Publications, 482: 115–148. DOI: 10.1144/SP482.14.
• Eizaguirre P., Tang A.M., Maillet B., Sidi-Boulenouar R., Talandier J., Pereira J.M., Vu M.N., Chabot B., Dangla P., Bornert M., Aimadieu P., 2024. Exploring two regimes of water mobility in unsaturated expansive clay using NMR relaxometry. Applied Clay Science, 251(1). DOI: 10.1016/j.clay.2024.107324.
• Giot R., Auvray C., Talandier J., 2018. Self-sealing of claystone under X-ray nanotomography. [W:] Norris F., Neft E.A., Van Geet M. (eds.). Multiple roles of clays in radioactive waste confinement. Geological Society, London, Special Publications, 482. DOI:10.1144/SP482.4.
• Gusa A.V., Tomani A., Zhang Z., Vidic R.D., 2020. Sulphate precipitation in produced water from Marcellus Shale for the control of naturally occurring radioactive material. Water Resources, 177. DOI: 10.1016/j.watres.2020.115765.
• IAEA, 2011. IAEA Safety Standards Series No. SSR-5, IAEA, Vienna.
• Ishii T., Kawakubo M., Asano H., Kobayashi I., Sellin P., Luterkort D., Eriksson P., 2019. A resistivity-based approach to determining rates of groundwater seepage into buffer materials. [W:] Norris F.,
• Neft E.A., Van Geet M. (eds.). Multiple roles of clays in radioactive waste confinement. Geological Society, London, Special Publications, 482: 205–212. DOI: 10.1144/SP482.16.
• Jo M., Ono M., Nakayama M., Asano H., Ischi T., 2018. A study of methods to prevent piping and erosion in buffer material intended for a vertical deposition hole at the Horonobe Underground Research Laboratory. [W:] Norris F., Neft E.A., Van Geet M. (eds.). Multiple roles of clays in radioactive waste confinement. Geological Society, London, Special Publications, 482: 175–190. DOI: 10.1144/SP482.7.
• Klinkenberg M., Brandt F., Baeyens B., Bosbach D., Fernandez M., 2021. Adsorption of barium and radium on montmorillonite: A comparative experimental and modelling study. Applied Geochemistry, 135. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2021.105117.
• Komarneni S., Kozai N., Paulus W.J., 2001. Superselective clay for radium uptake. Nature, 410: 771. DOI: 10.1038/35071173.
• Lankof L., 2016. Długoterminowa ocena bezpieczeństwa składowisk nisko- i średnioaktywnych odpadów promieniotwórczych. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, 92: 171–182.
• Montavon G., Ribet S., Loni H., Maia F., Bailly C., David K., Lerouge C., Made B., Robinet J.C., Grambow B., 2022. Uranium retention in a callovo-Oxfordian clay rock formation: From laboratory based models to in natura conditions. Chemosphere,299. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.134307.
• Moore D.M., Reynolds R.C., 1989. X-Ray Diffraction and the Identification and Analysis of Clay Minerals. Oxford University Press, xvi + 332.
• Norris S., 2019. Multiple roles of clays in radioactive waste confinement – introduction. [W:] Norris F., Neft E.A., Van Geet M. (eds.). Multiple roles of clays in radioactive waste confinement. London, Special Publications, 482: 1–9. DOI: 10.1144/SP482-2019-4.
• Papafotiou A., Namhata A., Singh A., Williams M., Jigmond M., Marschall P., 2018. A workflow for parametric sensitivity analysis of heat and gas release from a deep geological repository for SF/ HLW. [W:] Norris F., Neft E.A., Van Geet M. (eds.), Multiple roles of clays in radioactive waste confinement. Geological Society, London, Special Publications, 482: 149–173. DOI: 10.1144/SP482.2.
• Rabaute A., Garcia M.H., Becker J., 2018. Identification of log units in clay rock formations based on local and spatial statistics of well-log properties: application to the Opalinus claystone in the Benken borehole. [W:] Norris F., Neft E.A., Van Geet M. (eds.). Multiple roles of clays in radioactive waste confinement. Geological Society, London, Special Publications, 482: 11–24. DOI: 10.1144/SP482.22.
• Ren G.L., Chung C.C., Tsai C.E., Cuo C.J., Huang W.H., 2022. Experimental Study on the Thermal Conductivity of Compacted SPV200 Bentonite. Minerals, 12(18): 932. DOI: 10.3390/min12080932.
• Sellin P., Leupin O., 2013. The Use of Clay as an Engineered Barrier in Radiactive-Waste Management – A Review. Clays and Clay Minerals, 61(6): 477–498. DOI: 10.1346/CCMN.20130610601. Serwis Rzeczypospolitej Polskiej. <http://gov.pl/web/polski-atom> (dostęp: 10.09.2024).
• Silva C., Heilbron P.F.L., Pérez Guerrero J.S., Xavier A.M., Pereira G., Lacreda G.B.M., Pimentel L.C.G., Landau L., Ebecken N., 2020. A computational model for estimation of 226Ra and 228Ra concentrations in sludge from petrol exploitation, based on radiation – level measurements on stored packages. Environmental Earth Sciences, 79(489): 25. DOI: 10.1007/s12665-020-09237-3.
• SKB, 2022. Post-closure safety for the final repository for spent nuclear fuel at Forsmark. Main report, PSAR version. <http://www.skb.se/publication/2506409>.
• Thury M., 2002. The characteristics of the Opalinus Clay investigated in the Mont Terri underground rock laboratory in Switzerland. Comptes Rendus Physique, 3(7): 923–933. DOI: 10.1016/S1631-0705(02)01372-5.
• Wang Q., Tang A.M., Cui Y.-J., Delage P., Gatmiri B., 2012. Experimental study on the swelling behaviour of bentonite/claystone mixture.Engineering Geology, 124: 59–66. DOI: 10.1016/j.enggeo.2011.10.003.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• Obwieszczenie Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 11 maja 2023 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy – Prawo atomowe (Dz.U. z 2023 r. poz. 1173).
• Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 14.12.2015 r. w sprawie odpadów promieniotwórczych i wypalonego paliwa jądrowego (Dz.U. z 2015 r. poz. 2267).
• Ustawa z dnia 29 listopada 2000 r. – Prawo atomowe (Dz.U. z 2000 r. nr 3, poz. 18 ze zm.).