K diskusi: Postačí jedna varianta hlubinného uložení vyhořelého jaderného paliva?

V souvislosti se záměrem výstavby nových bloků jaderných elektráren v České republice vyvstane nezbytně celosvětově otevřený problém konce jaderného palivového cyklu. Takové téma zcela jistě otevřou nejen pověřené instituce, politici, zastánci jaderné energetiky i jaderná opozice uvnitř republiky i ze zahraničí. Dosažitelné objektivní posouzení variant projektových záměrů má klíčový význam pro vyhodnocení potenciálu reálných řešení.

Spolehnutí na jednu variantu

Spoléhání na jednu variantu z více zvažovaných, zejména v řešení strategicky významných společenských zadání, je chybou. Pokroky vědy a techniky přinášejí nové poznatky, odezvou na ně jsou nové legislativní nároky, ekonomické hodnocení může změnit preference přijatých řešení. Spolehnutí se na jednu variantu je hazardem tím závažnějším, pokud se jedná o strategicky významné projekty s extrémním ekonomickým a bezpečnostním obsahem. Světem otřásá riziko neřešených poznaných i tušených strategických problémů a jejich výsledkem je potenciálně i nepěkná vidina konce druhu homo sapiens, nebo alespoň významné narušení toho, co považujeme v současnosti za šťastný život. Rizikové jevy vystrkují růžky ze světové politické situace, z neřešitelného rozporu mezi kulturami včetně náboženství, z problémů přelidnění světa včetně migrace, z nedostatku obživy, energie a prostředků pro důstojný život, ze znečištění životního prostředí, z rozmachu světového zbrojení, z problémů transportu osob i materiálů, ze sociální nerovnosti. 

Z mnoha příkladů uvádím jeden pozitivní, jeden hrubě negativní a jeden absurdní. Tím pozitivním je izraelské dosažení dostatku kvalitní vody (přes počáteční drtivou kritiku) v nepříznivých klimatických podmínkách včetně realizované pomoci regionům ohrožených suchem (S.M.Siegel: Budiž voda, ALIGIER 2017). Za klasicky negativní lze označit celosvětové důsledky kolapsu bankovního domu Lehmann Brothers, včetně jejich ospravedlní „Podlehli jsme světovým mýtům“. Absurdní příklad: v roce 1860 vynalezl český puškař pušku nabíjenou zezadu. Zbraň při zkouše obstála. Generální štáb rakouské armády „odborně“ konstatoval, že taková zadovka by vedla v boji k plýtvání střelivem. Tolik k nutnosti volby z více variant, zejména když jejich jádro je racionální.

Rozdíl v koncepci zneškodnění vyhořelého jaderného paliva je v hloubce uložení

O tom, že řešení konce jaderného palivového cyklu (back end) patří mezi celosvětová zadání, není pochyb. Není pochyb ani o tom, že vedle všeobecně v Evropě přijímaných projektových záměrů rozvíjí USA koncepce uložení vyhořelého jaderného paliva do horninových masivů v hloubkách do 5000 m, tedy výrazně přesahujících evropské záměry ukládat jaderné odpady do hloubek nepřevyšujících 800 m. Dosažitelné expertní posouzení obou variant má klíčový význam pro vyhodnocení potenciálu a mezí obou přístupů.

Část I.

Realitou současných vizí backendu je významné zpoždění projektových záměrů, které by odstranily stávající nejasnosti a prokázaly jejich přijatelnost (acceptability) z mnoha nároků a hledisek. Vypracování a vyhodnocení představ o ukončení jaderného palivového cyklu mělo být zahájeno již před více než půl stoletím. V procesu odsouhlasení realistického multikriteriálního řešení mají nezastupitelné postavení i kritické názory opozice, kterým nelze upírat právo na racionálně vedenou diskuzi a zohlednění oprávněných námitek. Závažných nejistot v současném přístupu v řešení konce jaderného palivového cyklu je již tolik, že rozvíjení konkurenčních variant je plně opodstatněné. Nejvýraznějšími problémy současného přístupu je významné narušení hostitelského masivu rozlehlými přístupovými průchody a pilotními experimenty, nedoložená možnost jejich utěsnění na úroveň původních charakteristik horninového masivu tak, jak to požaduje platná legislativa.

U prvního jmenovaného problému mi pro rozsáhlé podzemní práce podle současných představ chybí předběžné stanovisko SÚJB ke splnění požadavku Atomového zákona: „Při zachování informací o území k umístění hlubinného úložiště musí být při průzkumu, výstavbě, provozu a uzavření hlubinného úložiště v nejvyšší míře zachovány vlastnosti geologického prostředí“. Jen pozvolna se rozvíjejí práce usilující o splnění nároků na utěsnění extrémně velkého objemu vyrubaného hostitelského masivu po zavezení paliva. Povlovný vstup do podzemí vytváří požadavky na vyrubání extrémního objemu hostitelského masivu a na energii tím vynaloženou. Strmější přístup do podzemí využívající švýcarské zkušenosti se zubačkami o stoupání až 45 stupňů zatím nikdo ani neuvážil. Technologie převozu obalových souborů a jejich umístění v konečné poloze v podzemí vyžadují podmínky, které se spíše podobají bývalému žižkovskému nákladovému nádraží. Problémů a námitek může být široké spektrum. Odstranění pochyb je podmínkou dosažení souhlasu politiků, dozorných orgánů, ekonomů, vědců, techniků i veřejnosti.

Není posláním tohoto článku kritizovat současnou variantu ukládání do hloubek menších než 1000 m, ale kriticky vyhodnotit potenciálu přijaté metody v porovnání s možnostmi uložení do hlubokých vrtů tak, jak se rozvíjí v USA. I když i tam mají své odpůrce.

Nepřijatelné a proto zamítnuté projekty konce jaderného palivového cyklu.

Lákavou a levnou variantou, seriózně zvažovanou v padesátých letech minulého století bylo svržení radioaktivních odpadů do mořských proláklin v hloubkách až 14 000 m. Výzkum prokázal přítomnost živých organizmů i v těchto extrémních hloubkách a možnost přenosu radioaktivního inventáře potravinovými řetězci mezi patry oceánů až do životního prostředí.

Vystřelení odpadů pomocí rakety ke Slunci neobstojí se zřetelem k moderní teorii bezpečnosti, která konstatuje, že žádný rizikový jev nemá nenulový rizikový potenciál a že proto není vyloučen pád odpadů zpět na zemský povrch.

Ukládání do permafrostu vylučují současné poznatky o jeho tání v důsledku změn klimatu.

Využití urychlovačů těžkých částic ke snížení radioaktivního inventáře je nereálnou vizí (Rubia) z hlediska nároků na padesátiprocentní účinnost urychlovače těžkých částic.

Podle současných znalostí zůstává extrémně dlouhodobé hlubinné uložení jedinou variantou odstranění vysoceaktivních materiálů ze životního prostředí do hloubek do tisíce metrů.

Legislativní nároky

Jednou z námitek proti uložení do hlubokých vrtů je současná dikce Atomového zákona. Splnění zákonných požadavků je extrémně odborně a finančně náročným, rozsáhlým a mnoha oborovým problémem. Propojení zákonných požadavků a fyzikálně technických možností je rozsáhlým úkolem, jehož řešení nesnese odkladu. Je ale vysoce pravděpodobné, že v průběhu získávání zkušeností budou celosvětově stanoveny další nároky na systém nakládání s vyhořelým jaderným palivem. Takové výhledy musí nezbytně předpokládat i změny v Atomovém zákonu, pokud si tyto změny vyžádá pokrok v poznání.

Zralost variant

Obě porovnávané varianty lze označit za nezralé a nacházející se ve vývojovém stadiu. Splnění zákonných, jaderně fyzikálních, geofyzikálních, technologických, bezpečnostních, ekonomických, ekologických a sociálních nároků nebylo až dosud dozornými a státními institucemi akceptováno. Charakteristiky projektových záměrů jsou předmětem teoretických a technologických analýz, které nejsou experimentálně doloženy. Kardinálním problémem je konstatování, že volba mezi oběma variantami je nevratná. Zdokonalení běžné v jaderné energetice nepřicházejí v úvahu.

Nezralost uložení do hloubek stovek metrů

Finská společnost pro nakládání s použitým palivem ohlásila, že brzy začne s plnorozměrnými testy ukládání (20.6.2018) v lokalitě Onkalic. Test je navržen tak, aby demonstroval, že konečný ukládací proces prokázal možnost získání provozní licence pro úložiště v Oikiluoto. Společnost Possiva předpokládá ukládání v měděných a ocelových kontejnerech, v hloubkách 400-450 m. Test využije 60m tunel v hloubce 450 m. Obalové soubory budou obsahovat vytápěné elementy pro simulování zbytkového výkonu. Projekt je první na světě svého druhu. Po ukončení testu hodlá Possiva pokračovat s jaderným palivem.

Pokud dojde k překročení teploty těsnícího bentonitu nad hodnotu 100 ^oC, změní se těsnící bentonit v prach. Pokud výrazné snížení odvodu tepla zvýší teplotu krycích materiálů paliva tvořeného slitinou Zircaloy, potom není zaručeno, že nedojde k přesáhnutí přípustné hodnoty a tím ovlivnění systému. Tomuto problému se věnuje v souladu se zadáním U.S. Department of Energy (DOE) laboratoř SANDIA, která zkoumá, zatím na simulátoru, výskyt horkých míst, která se mohou objevit v průběhu dekád z různých důvodů. Přežití a degradace materiálů jsou ovlivněny právě takovými horkými místy. Čím lépe budou známy teplotní poměry uloženého paliva, tím dokonaleji bude možné odhadnout integritu uloženého paliva (World. Nuclear News).

Nezralost hlubokého uložení

Nezralost hlubokého uložení je zřejmá. Základní přístupy mají za sebou jen několikaletou historii a jsou ve stadiu hledání komplexního prověření přístupů a jejich hodnocení.

Plutonium jako zásadní faktor významný pro obě varianty

Postupné vyčerpávání světových zásob uranu provozem jaderných elektráren a výrobou jaderných zbraní je realitou. Vlastnosti thoria jako plodícího materiálu nedávají šanci na jeho využití. Plutonium je jaderným palivem na tisíce let. Obě varianty proto mají umožnit zpětné vyjmutí úložných obalových souborů. Přestože současná metoda přepracování je běžně dlouhodobě spolehlivě a ekonomicky využívána, není vyloučené, že zvládnutí pyrometalurgického přepracování nebo využití dalších poznatků vědy a technologií přinese další zdokonalení.

Problémem budoucího využití plutonia je výhradně risk spojený s převozem vyhořelého jaderného paliva z místa jeho vzniku do místa přepracování a zpět. Při tom je bezpečně a spolehlivě přepravováno vyhořelé jaderné palivo z japonských elektráren do Selafieldu ve Velké Británii a produktů reprocessingu zpět. Speciálně upravené lodě zabezpečují dopravu spolehlivě a bez problému. Zásadní potíž vystihuje zkratka NoTAMA, tedy No Transportation Across My State. Obavy veřejnosti vyústily v rozhodnutí nepřepravovat VJP přes území států ležících mezi státem s jadernými elektrárnami a státem přepracování. Proto je přepracování metodou solventní extrakce bez problému prováděno ve Francii, ve velké Británii, v Ruské federaci a v USA. V současné době probíhají jednání mezi Čínou a Francií o vybudování závodu na přepracování VJP.

Výsledkem této strategie bude stav, kdy státy, na jejichž území jsou závody na přepracování, budou mít rostoucí množství separovaného plutonia jako paliva do tepelných i rychlých reaktorů, rostoucí množství separovaného uranu s cca jednoprocentním obsahem ²³⁵U a s plodícím  izotopem ²³⁸U. To vše připravené k výrobě článků do tepelných nebo rychlých reaktorů. Tím budou připraveny reagovat na energetickou krizi z nedostatku paliv. Na krizi, která nastane ne jako výsledek omezování spalovacích technologií, ale prostě proto, že rostoucí počet obyvatel Země si takovou situaci vynutí. Zřejmou výhodou je výrazně snížený požadavek na objem radioaktivních odpadů z vyhořelého paliva, který je odhadován na 20 %

Státy, které se rozhodly pro uložení nepřepracovaného paliva, budou mít jmenované komponenty neseparované a uložené v utěsněných úložných souborech v hloubkách stovek až tisíců metrů. V očekávané etapě nedostatku paliv včetně jaderných budou nuceny vrátit VJP do životního prostředí a rovněž přepracovat. Taková je současná realita.

Literatura zabývající se variantou uložení do hloubek nepřesahujících stovky metrů je ke dnešnímu dni přiměřeně rozsáhlá. Další příspěvek tohoto článku se proto bude zabývat výhradě hlubokým uložením ve variantě vypracované v USNL Berkeley.

Část II.

Hluboké uložení jako bezpečná a méně nákladná metoda dlouhodobého uložení vysoceaktivních radioaktivních odpadů

V části II je zpracován pohled na rozvíjející se variantu hlubokého uložení vysoceaktivních radioaktivních odpadů. Text využívá odkazy na souhrn autora Richarda A. Mullera „Technology of the Deep Isolation Repository, Deep Isolation Inc. Berkeley, 2019.

Idea hlubokého uložení není nová. Rané práce byly v USA zahájeny v letech 2009–2012. Provedené analýzy posoudily záměr z hledisek termo-hydraulicko-mechanicko-chemických, jakož i z hlediska pohybu radionuklidů v hlubokých vrtech. Cílem výzkumu bylo vytvoření referencí pro hlubinné vrty. Využití hlubokých vrtů bylo a je zkoumáno i v dalších zemích

Využití vertikálních vrtů pro uložení odpadů v granitu bylo studováno na MIT (Michael J. Driscoll) a dále rozvíjeno v rámci DOE a experimentálně podporováno pod vedením Sandia National Laboratory.

O projektovém záměru přímého uložení obalových souborů do sloupce v hloubce 2 až 5 km jsem informoval v článku „Uložení vyhořelého jaderného paliva do hlubokých vrtů“ publikovaném v  CzechIndustry. Popsané zásadní koncepční řešení spočívalo v provedení přímých vrtů do hloubek až 5 km a umístění úložných obalových souborů s vyhořelým jaderným palivem ve sloupci vysokém 3000 m v hloubkách 2 až 5 km. Jeden vrt by mohl obsahovat 400 obalových souborů o délce 5 m. Postupně vytvářené těsnící vrstvy by byly ve vhodných výškách vytvořeny cementem, bentonitem a jíly. Beton by vytvářel pevnou zátku udržující přiměřený tlak na vertikální sloupec obalových souborů. V jednom vrtu by tak mohlo být uloženo až 253 t odpadu ve sloupcích po 40 úložných souborech. Je zřejmé, že hodnocení pevnosti takového sloupce, tvořeného 253 tunami vysoceaktivního odpadu umístěných v jednom sloupci jakož i analýzy související s jeho reakcí na zemské otřesy vypadaly spíše jako science fiction. Základní myšlenka umístění vyhořelého jaderného paliva využitím přímých vrtů do hlubokých formací je zdravá a stojí za analýzy a vývoj.

Pokračování teoretických úvah, praktických záměrů a analýz včetně rozsáhlých zkušeností v provádění hlubokých vrtů při těžbě ropy a plynu, zaměřených na transport do podzemí jediným vrtem je plně reálné. Je podporováno požadavkem Atomového zákona, aby „při průzkumu, výstavbě a uzavření hlubinného úložiště byly v nejvyšší míře zachovány vlastnosti geologického prostředí“. Takový požadavek splňuje jen metoda přímého vertikálního vložení.

Ze všech schémat soudobých projektových představ o hlubinném úložišti v hloubkách do 800 m je vidět extrémní narušení původního masivu průzkumnými, ale zejména technologickými prostupy, šachtami a štolami. Takové narušení je nejen proti dikci zákona, ale také proti nároku na dlouhodobé utěsnění rozsáhlých objemů hostitelského masivu. Bez ohledu na volbu těsnícího materiálu zůstává očekávaná těsnost uzavřeného úložiště experimentálně a teoreticky nedoloženým problémem.

Řešení, které využije přímý vertikální vstup do požadovaných velkých hloubek a které zároveň využije běžné umístění úložných obalových souborů v úzkém vrtu v horizontální poloze,  nabízí text „Technology of the Deep Isolation Repository“ společnosti „Deep Isolation, Inc 2120 University Avenue, Ste 623, Berkeley, CA 94704, 19.2.2019, 25 stránek.

Hluboké uložení navrhuje uložení vyhořelého jaderného paliva a vysoce aktivních radioaktivních odpadů v hlubokých horizontálních vrtech. Reálnost provedení hlubokých vrtů je podložena zkušenostmi dosaženými v uplynulých desetiletích při provádění vrtů pro těžbu zemního plynu a ropy.

Deep Isolation (dál DI) navazuje na program inspirovaný DOE, podle kterého by odpady byly ve vrtu uloženy v sedimentárním horninovém masivu izolovaném od biosféry po dobu od tisíce do milionu roků

Základem horizontální DI technologií je přesné provedení vrtů. Vrty vytvořené vertikálně do hloubky jedné míle a mající délku dvě míle jsou rutinně prováděny v sedimentárních horninách. Experimentálně bylo zjištěno, že v řadě takových formací jsou těkavé vzácné plyny udržovány po dobu milionů roků. Řádově po takovou dobu může tedy hostitelský masiv izolovat plynné prvky od biosféry. Takové tvrzení dokládají zkušenosti společností v USA, získané při provádění 50 000 vrtů. Pro těžbu ropy a zemního plynu jsou vytvářeny vrty o průměru 228 mm. Pro jaderné palivo je nezbytné přejít na větší průměry vrtů. Zpráva DI konstatuje, že společnosti licencované pro provádění vrtů pokládají požadavek na větší průměry za splnitelný. Takové potvrzení požadavků na uložení celých kazet s vyhořelým palivem v obalových souborech staví DI do reálné polohy.

Přímý vertikální vrt se před dosažením požadované hloubky spojitě stáčí tak, aby dosáhl požadované horizontální polohy. Horizontální vrt vytváří samotný ukládací prostor. Po zaplnění objemu horizontálního vrtu je vertikální vrt utěsněn vyrubaným materiálem vhodné konsistence a bentonitem. Typická jaderná elektrárna o výkonu 1000 MWe vyprodukuje ročně 20 tun vyhořelého jaderného paliva, které má čistý objem dva krychlové metry. Vyhořelé palivo z reaktoru o výkonu 1000 MWe se po padesátiletém provozu vejde do tří takových vrtů. Lze proto předpokládat, že k uložení vyhořelého jaderného paliva z elektráren Temelín a Dukovany by postačilo nejvýše 24 vrtů.

Před dosažením požadované hloubky horizontálního vrtu se vrt zakřivuje a postupně dosáhne horizontální polohy. Poté pokračuje v požadované délce. Zkušenosti z vrtů pro ropu a zemní plyn byly získány na desítkách tisíc případů na horizontální dráze v délce tří kilometrů i více. Horizontální vrt může mít průměr 460 mm.

Souvislé vyložení je provedeno po celé délce vrtu. Vyložení sestává z desetimetrových segmentů obvykle z uhlíkaté oceli, které jsou vkládány do vrtu. Vyložení zajišťuje inženýrskou bariéru se životností několika stovek roků. Obalový soubor samotný je vyroben z korozivzdorné slitiny s očekávanou životností v prostředí vrtu 50 000 roků i déle.

Typické zakřivení má poloměr 230 m, pohyb souboru se přizpůsobuje zakřivení. Tloušťka vyložení ½ palce ocelového vyložení se přizpůsobuje křivce vrtu. Korozivzdorný úložný soubor s jaderným palivem se zavede do vyložení pomocí lanového táhla a je následně uvolněn. Vnitřní průměr vyložení umožňuje volný pohyb obalového souboru bez namáhání a stresů. Pro zakřivení 8^o na 30 metru je světlost průchodu více než dostatečná.

Vertikální sekce vrtu bude mít větší průměr. Širší vyložení u vstupu se nazývá konduktor vyložení a navazuje na povrchové vstupní zařízení. Větší průměr vstupu umožňuje umístit dolní vložení dříve. V typickém provozu ropných a plynových vrtů je prostor mezi vyložením a horninou cementován.

Na obr. vykazuje horizontální vrt vlastního úložiště lehký vzestup vzhůru, a to od 1 ^o do 3 ^o. Tím se dosahuje přídavná izolace od vertikálního vrtu. Jakýkoliv mechanizmus úniku, který přenáší radioizotopy z vertikálního vrtu směrem vzhůru (například tok plynu vodním roztokem ve vyložení) se pohybuje směrem ke slepému konci úložné sekce.

Vrty jsou spojitě vyloženy trubkami – sekcemi -  typicky o délce 10 m, vyrobenými z uhlíkaté oceli. Trubky vytvářejí po zavedení do vrtu spojité potrubí pro hladkou přepravu obalových souborů na místo určení.

Informace o DI je zaměřena na ukládání nepřepracovaných palivových kazet. Pojednává o variantě, pro kterou není nutné přepracování ani přebalení vyhořelého paliva. Celá kazeta (fuell assembly) se vloží do úložného obalového souboru. Ten je vytvořen z korozivzdorné slitiny. Tvar souboru je vytvořen z válcové a kulové plochy, tedy v geometrii nejvhodnější z hledisek namáhání materiálů. Prostor uvnitř úložného souboru je vyplněn materiálem na bázi písku proto, aby bylo zamezeno poškození otřesy. Obalový soubor je dopraven ke vstupu do vrtu v betonovém obalu se zřetelem k radiační ochraně personálu.

Horizontální vrty mohou být vytvořeny v požadované lokalitě bez nutnosti přepravy veřejnou dopravní infrastrukturou. Obavy z přepravy jsou charakterizovány akronymem NoTAMS, tedy No Transpotation Across My State. Podmínkou pro volbu lokality je vyhledání území s vhodnou geologií v místě nebo v blízkosti meziskladu. Výhodným záměrem bylo umístit úložiště do vrstev pod jílovité materiály, ve kterých jsou přírodní plyny, lokalizované po dobu milionů roků, izolovány od životního prostředí.

DI může být provedeno v různých hloubkách, typicky mezi 700 až 2700 m. Jejich umístění je vhodné do saturované zóny, kde jsou póry v hornině vyplněny vodným roztokem. Přenos plynu difuzí nebo vodou je v takových zónách potlačen. Horizontální ukládací sekce budou uloženy v redukčním prostředí. To pomáhá potlačit korozi inženýrských bariér i tvorbu různých chemických sloučenin rozpustných ve vodě. Primárním mechanizmem úniku na povrch, po uvažovaném selhání inženýrských bariér, je rozpouštění radioizotopů v nasycené kapalině a přenos k povrchu. Je klíčové zajistit, že odpady neuškodí lidskému zdraví nebo životnímu prostředí izolací i nasycených tekutin a pitných zvodní.

Blízké okolí vrtů (near-field) je oblastí s narušením masivu. Hostitelský masiv může být narušen nebo jinak poškozen razícími procesy a může být poškozen i vývinem tepla z vyhořelého jaderného paliva. Porušená zóna se rozprostírá typicky v dosahu průměru vrtu, tj. okolo 230 mm. V DI je prostor mezi horninou a vyložením vrtu zaplněn deoxygenovanou vodou a kalem. Voda ve vrtu má tlak odpovídající hloubce. Její tlak roste o jednu atmosféru na každých deset metrů hloubky, tedy na hodnoty 100 atmosfér pro vrty v hloubkách 1000 m. Voda v hlubokých vrtech DI je, vzhledem k vysokému tlaku, v kapalném skupenství.

Po umístění obalových souborů s vyhořelým palivem do požadované polohy se teplota paliva nejprve zvyšuje a potom klesá tím, že se rozpadají krátkodobé radioizotopy.

Zvýšená teplota horniny vytváří teplotní pnutí. Vede také k rozdílům hustoty vody, což může vyvolávat tok kapaliny. Teplotní změny ovlivňují kinetiku reakcí a chemické vlastnosti. To může vést k rozpouštění a precipitaci minerálů, což ovlivňuje rychlost koroze. Analýza těchto efektů pro DI je předmětem výzkumu.

Fakt, že úložiště se nachází v redukčním prostředí, umožňuje dosáhnout extrémně dlouhé očekávané životnosti obalových souborů. Předběžné odhady životnosti obalového souboru o tloušťce 10 mm, zhotoveného z vhodných korozivzdorných materiálů vede k závěru, že dojde ke zkorodování jedné poloviny tloušťky za dobu 50 000 roků.

Únikové cesty

Jak bylo uvedeno výše, radioaktivní izotopy migrují z úložiště do zvodnělých vrstev (aquiferů) blízko povrchu (obvykle méně než 500 stop, tj. 152,4 m od povrchu) nebo do biosféry, transportem rozpuštěných radioizotopů advekcí či difúzí v pórové vodě. Hydrogeologická charakteristika hostitelských hornin a hornin určí vlastnosti heterogenní horniny, konkrétně její schopnost propouštět vodu v reakci na místní a regionální tlakové gradienty. Břidlicové útvary se vyznačují velmi nízkou hydraulickou propustností a obecně nízkým koeficientem propustnosti.

Pohyb vody se s největší pravděpodobností vyskytuje v sítích malých nebo středně velkých puklin a potenciálně i větších geologických nehomogenit jako jsou zlomy a další inhomogenity. Pokud by radionuklidy unikly z blízkosti úložiště a migrovaly podél těchto geologických nehomogenit, jsou pravděpodobně zpomalovány adsorpcí na povrchu minerálů a difúzí stagnující pórové vody v okolí horninových matic. V biosféře bude tato doprava výrazně odlišná.

Hnacími silami, které stojí za dosaženým průtokem podzemních vod, jsou zejména tlakové gradienty, které jsou řízeny regionálními hydrologickými podmínkami, včetně topografie a také prouděním a konvekcí hydrotermálních kapalin. Některé z těchto okrajových podmínek se mohou změnit v důsledku dopadů změn klimatu způsobených přirozenými nebo lidskými faktory. Tlakové gradienty se mohou vyvíjet lokálně, v důsledku rozdílů v hustotě tekutin způsobených změnami teploty, salinity nebo tvorby korozního plynu. Nakonec mohou horniny s vysokým obsahem jílu vykazovat osmotické účinky.

Existuje také možnost selhání vertikálního přístupového vrtu. V návaznosti na myšlenky vyvinuté v laboratořích Sandia National Laboratories očekáváme (společnost Energoprůzkum), že se začne s utěsněním vrtu odstraněním pouzdra, a pak vyplněním vrtu (štěrkem a případně bentonitem). Tam, kde vrt prochází břidlicemi nebo solnými vrstvami, je možné ho vyplnit podobnými materiály bohatými na jíl, který pomůže utěsnit malé praskliny a prostory, čímž se vytvoří dobré těsnění.

Malý vzestupný sklon k horizontálnímu úložnému úseku by mohl být k užitku a tento koncept se nyní v Energoprůzkumu studuje. Vzdálená „slepá ulička“ díry by byla v poněkud menší hloubce. Tato geometrie by mohla pomoci izolovat uzavřený vertikální přístupový otvor ze skladovací oblasti, přinejmenším pro lehké materiály, které mají tendenci se zvedat uvnitř narušené zóny. V současné době se v Energoprůzkumu provádí počítačové simulace, aby se zjistilo, zda má tento sklon nebo nějaká jiná alternativa (např. opakované zvlnění nahoru a dolů) význam.

Vzhledem k celkové nízké permeabilitě hostitelské horniny se předpokládá, že molekulární difúze rozpuštěných radionuklidů bude dominantním transportním mechanismem, i když s velmi pomalou migrací. Difúze je řízena koncentrujícími se gradienty, jejichž koncentrace se výrazně snižuje, a to i na velmi krátké vzdálenosti od vrtu. Malá pórovitost a tortuosita prostoru pórů značně snižuje účinnou difuzivitu ve srovnání s volnou vodou. Difúzní radionuklidy dosahují velmi nízkých koncentrací po krátkých vzdálenostech, protože jsou ředěny a rozprostřeny na radiálně rostoucím objemu pórové vody.

Z počátečních výpočtů se specialisté Energoprůzkumu domnívají, že hodnocení zahrnující případ bezpečnosti pravděpodobně ukáže, že všechny tyto vlastnosti a účinky mají buď velmi nízkou pravděpodobnost výskytu, nebo důsledky, nebo že neohrožují bezpečnost úložiště ani při konzervativních předpokladech a zohlednění inherentních a neredukovatelných nejistot. Koncepce likvidace Deep Isolation využívá geologických formací s velmi vysokými bariérovými vlastnostmi, integrovaných do robustního víceúčelového systému odstraňování odpadů.    

Vyhořelé jaderné palivo – VJP (Spent Nucler Fuel - SNF)

VJP z komerčních reaktorů může být pro hlubinné uložení přebaleno, přepracováno nebo uloženo ve formě, ve které se nacházelo v jaderném reaktoru. Přebalení je vyjmutí paliva z distančních mřížek v horké komoře a následné těsné umístění v obalovém souboru. DI umožňuje využít všechny tyto přístupy. Typické palivo pro tlakovodní rektory má čtvercovou kazetu s diagonálním rozměrem 302 mm. Takové palivové kazety mohou být vloženy do obalového souboru o vnitřním průměru 330 mm. Tloušťka úložného soboru je 1 cm. Vnější průměr souboru je tedy 355 mm. Nakládání s palivem vyžaduje po vyjmutí z reaktoru chlazení ve vodních bazénech, následně v suchých obalech, přemístění do úložných souborů, přepravu do vrtu a jejich uložení. Radioaktivní inventář energetických reaktorů je dostatečně přesně a detailně znám jako funkce času. Známý je vývin tepla, který dosahuje cca 7 % bezprostředně po odstavení reaktoru. Po deseti minutách se sníží na 2 % jmenovitého výkonu a po jednom dnu na 0,5 %.

Obr. Palivová kazeta PER   

Znalost radioaktivního inventáře jako funkce času umožňuje provádět analýzy migrace jednotlivých izotopů se soustředěním se na ty, které budou po předpokládaném dosažení životnosti obalového souboru nebo po jeho poruše pronikat hostitelským masivem do biosféry. Proces průniku směrem k biosféře je doprovázen chemickými procesy, které mohou migrační procesy zpožďovat nebo jim i zamezit. Znalost radioaktivního inventáře je vstupem pro geochemické analýzy, nezbytné pro hodnocení hostitelského masivu jako geologické bariéry.

Radioaktivita VJP je dobře popsána v závislosti na počátečním obohacení, hloubce vyhoření, době od vyjmutí z reaktoru a na dalších faktorech. Ze znalosti radioaktivního inventáře plyne, že dlouhodobé izotopy mohou být přivedeny i velmi pomalými procesy do biosféry. Inženýrské bariéry mají životnost tisíců až desetitisíců roků. Oddělení od životního prostředí po dobu významně delší jsou závislé na geologických bariérách. Některé izotopy jsou v plynné fázi, jiné ve fázi pevné. Některé jsou rozpustné ve vodě. Proto je geochemická analýza interakce radioaktivního inventáře s prostředím bariéry velmi významná. Běžná difuze pevných látek horninou je velmi pomalá. Největším rizikem úniku radioaktivních materiálů do biosféry je průchod „rychlými průchody“ např. puklinami. DI se zabývá i scénáři s předčasným dosažením životnosti obalového souboru. Takové věrohodné analýzy budou vyžadovat procedury v průběhu procesů k udělení licence. Zvláštní pozornost budou vyžadovat analýzy pro hodnocení rychlé koroze inženýrských bariér.

Rozpadové teplo

Tepelná energie je generována v peletách, v obalovém souboru, ve vyložení vrtu a v hornině. Vývin tepla, který je v době po odstavení 11 kW na tunu VJP, se snižuje s časem. Výsledkem vývinu tepla je růst teploty obalového souboru a horniny. Navýšení teploty ve vyhořelém palivu a v obalovém souboru je cca 85 stupňů C nad teplotu prostředí. Při tlaku v hloubkách 1800 m přesto zůstává voda v kapalném skupenství. Analýzy prokazují, že zvýšení teploty v hloubkách uložení nemá vliv na vlastnosti navrženého obalového souboru. Analýzy a provedené experimenty prokazují zeslabení obalového souboru pod 0,1 mikronu za rok. Pro tloušťku stěny 1 cm představuje korozní působení zeslabení na jednu polovinu za 50 000 roků. Navržené slitiny vykazují pozoruhodnou odolnost za očekávaných teplot a za vysoké radiace v chloridovém prostředí.

Závěrečné hodnocení prokazuje, že navržený kovový obalový soubor je za podmínek hlubinného uložení účinnou bariérou pro zamezení transportu radioaktivity, pokud jde o jeho proděravění. I další orientace ve volbě materiálů směřuje na nikl, chrom a molybden.

Vyložení vrtu je provedené z uhlíkové oceli. Jeho využití vytváří relativně hladký kanál pro pohyb obalového souboru od vstupu do místa uložení. Jeho životnost je odhadována na 50 roků. V redukujícím prostředí solného roztoku je odhadovaná spolehlivost inženýrských barier na několik stovek roků.

Redukční prostředí

V případě porušení obalového souboru je vyhořelé palivo vystaveno solnému roztoku, který saturuje hostitelský masiv, všechny složky vyhořelého paliva budou reagovat se solným roztokem a vytvářet nové sloučeniny. Následná migrace rozpuštěných radionuklidů je závislá na jejich chemii s následným transportem prouděním a difuzí. Analýza procesů, probíhajících ve skalním masivu je složitá, ale její vypracování je součástí bezpečnostních rozborů hlubinného uložení. Výsledky jsou významné pro předpověď mobility radioaktivního inventáře.

Vyjmutí obalového souboru z úložiště

V listopadu 2018 společnost Deep Isolation Inc. umístila úspěšně obalový soubor do hlubokého horizontálního vrtu, uvolnila zavádějící kabel a vyjmula ho. Po několika hodinách byl upravený kabel zaveden zpět a připojen k obalovému souboru, který byl následně vyvezen zpět na povrch. Tím bylo prokázáno, že metoda zavedení je realizovatelná. Bylo očekáváno, že se v průběhu testu objeví neočekávané příhody. Nic takového se ale nevyskytlo. Obalový soubor byl zaveden do hloubky vertikální sekce 793 stop (242 m). Následně byl zaveden v horizontální sekci do vzdálenosti 2263 stop (690 m). Teplota v dané hloubce byla 60 ^oC. Popsaný příklad prokazuje, že metoda vyjmutí je možná. K posouzení přijatelnosti je provedení poruchové analýzy procesu nezbytné, a to včetně dostupného experimentálního prověření.

Zemětřesení

Pro získání základních představ byly analyzovány dva druhy otřesů: otřesy vyvolané prováděním vrtů a přírodní otřesy. Je možné, že zemětřesení může přerušit horizontální úložný vrt nebo poškodit úložný soubor. Pro vyhodnocení úvah o hlubokém uložení je nezbytné provést v tomto směru pro daný hostitelský masiv detailní geologické studie s cílem určit, zda je pravděpodobnost takových příhod na přijatelné úrovni.

Neúmyslné narušení

Pravidla NRC vyžadují, aby proces udělení licence vyhodnotil riziko, že lokalita bude ohrožena lidskými procesy, například těžbou zdrojů. Geologie DI v horizontálním uložení poskytuje přirozenou ochranu proti průniku do místa uložení. VJP je uloženo v hloubkách tisíců metrů, pod zásobami podzemní vody. Předběžná analýza musí prokázat, že v místě úložiště nejsou zdroje minerálů. Informace DI hodnotí pravděpodobnost intruse v podmínkách USA pravděpodobností 0,00001.

Terorizmus

Hluboké uložení je přirozenou ochranou proti pokusu teroristů získat vyhořelé jaderné palivo. Pravděpodobnost napadení hlubokého vrtu je nepatrná v poměru s pravděpodobností napadení mokrého nebo suchého skladu vyhořelého paliva, Taková operace teroristů by vyžadovaly odstranění těsnících vrstev. Obalový soubor je horký a je zdrojem záření. Jeho stínění proti jadernému záření vyžaduje betonový válec o průměru 2 metrů. Vyjmutí obalových souborů by vyžadovalo provedení náročných prací trvajících řádově měsíce. Manipulace by musela být prováděna specialisty pro nakládání s radioaktivnímu zdroji. Náklady na vyjmutí by mohly dosáhnout milionů dolarů

Kritičnost

Výpočty kritičnosti vyžadují provedení specializovaných výpočtů, které nebyly dosud provedeny. Pro obalový soubor naplněný ve volném prostoru pískem nevzniká možnost průniku vody, která by moderováním mohla vytvořit nadkritický soubor. Samotný palivový soubor (pokud není obklopen dalším palivem) nemůže dosáhnout kritičnosti.

Závěry společnosti Deep Isolation, plc.

V závěrech je provedeno vyhodnocení klíčových rysů Deep Isolation a připojeno několik bodů, které nebyly v předchozím textu zmíněny

1. Předpokládané uložení je záměrem izolovat vyhořelé jaderné palivo v sedimentárních nebo metamorfovaných geologických formacích v hloubkách 700 až 2700 m.

2. Veškeré vyhořelé jaderné palivo z komerčních reaktorů v USA může být v nemodifikované formě uloženo v méně než 400 hlubokých vrtech. Pro přebalené palivo bez mezer mezi palivovými články by mohl být počet vrtů významně nižší.

3. Měření nízké úrovně radioizotopů v hlubokých solných roztocích (C-14, Cl-36, I-129) indikují, že odpady budou izolovány od biosféry po tisíce až miliony roků.

4. Přítomnost překrývajících vrstev obsahujících zemní plyn indikuje, že jejich utváření vzniklo za podmínek v trvání desítek až milionů roků. Překrývající vrstvy soli nabízejí ochranu před úniky.

5. Obalové soubory se ukládají v horizontální poloze. Navazují na sebe bez mezer mezi nimi. Tato konfigurace omezuje vzájemný ohřev souborů a snižuje možnost výskytu kritických příhod.

6. Úložné obalové soubory se umísťují v saturované zóně, a proto je únik difuzí možný primárně vodnými roztoky a ne plynem.

7. Odpady mohou být konsolidovány v úložišti pomocí mnoha pouzder, vzájemně od sebe oddělených v dostatečné vzdálenosti (odhadem 20 m).

8. Úložná oblast je situována do chemicky resistentního prostředí.  Obalové soubory jsou vypracovány ze slitin, které zaručují velmi pomalý vliv koroze. Totéž platí pro inženýrské bariéry.

9. Předpokládá se životnost obalového souboru je 50 000 roků a více.

10. Horizontální úložný vrt může mít délku do 3 km.

11. Lehké zvedání úložné oblasti může přispět k izolování izotopů majících tendenci migrovat vzhůru a tím mířit do vertikálního biotopu

12. Hlavní náklady na úložiště nejsou v provádění vrtů (očekávané pod deset milionů dolarů na vrt pro hloubku 1,6 km a pro horizontální část o délce 3200 m. Větší podíl nákladů je očekáván na udělení licence a na zařízení pro nakládání s odpady).

13. Deep Isolation nabízí variantu pro uložení s nízkými technickými náklady. To snižuje financování, redukuje transportní náklady a dovoluje relativně rychlou implementaci. Řešení může být atraktivní pro státy, které upřednostňují lokální uložení, nebo pro státy, které mají relativně málo jaderných odpadů.

Závěry autora článku

1. Orientace na rozsáhlé přesné provádění hlubokých vrtů společnostmi, které mají bohaté zkušenosti s jejich hloubením v požadované prostorové orientaci pro těžby plynu a ropy převádí uložení VJP do hlubokých přímých vrtů z oblasti science fiction do reality.

2. Specializované společnosti z USA lze velmi pravděpodobně najmout k provedení požadovaných tvarů vrtů, a to s nízkými náklady. Nároky na průměr vrtu pro zavedení obalového souboru do podzemí jsou podle sdělení realizovatelné. Podobné firmy působí i v Evropě, např. MND Drilling & Services realizovala v Německu nejhlubší geotermální vrt hluboký přes 6000 metrů.

3. Metoda přímého uložení splňuje beze zbytku požadavek Atomového zákona na minimální poškození hostitelského masivu ve všech fázích procesu ukládání.

4. Utěsnění úzkých vstupů provedené cementem, bentonitem, jílem a horninou ve výškách, kde teploty neohrožují účinnost těsnících bariér, je akceptovatelné. Rozsáhlé zkušenosti byly získány s těsnící zátkou z cementu pro 200 litrové sudy k uložení středně radioaktivního odpadu.

5. Metoda DI nevyžaduje přípravné práce v podzemních laboratořích. Předběžné náklady na geofyzikální a geologické práce v podzemí jsou nulové. Doplňující průzkum charakteristik horninového masivu je prováděn při samotném hloubení vrtu.

6. Metoda DI je vhodná pro nepřepracované, přebalené i přepracované VJP.

7.  Geochemické analýzy provedené společnosti Direct Disposal plc. prokazují možnost vytvoření inženýrských bariér s vysokou životností řádově 50 000 roků a geologických bariér řádově vyšších.

8. Sofistikovaný projekt úložného obalového souboru využívá osvědčené tvary z hlediska namáhání. Životnost obalového souboru lze zvýšit plazmovými nástřiky povrchů s následným uzavřením pórů.

9.  Zavedení obalového souboru na místo určení pomocí pružných lan bylo experimentálně prověřeno

10. Výhodou přímého vrtu v porovnání s vytvářením objemově rozsáhlých štol, šachet nebo průzkumných a technologických vstupů je minimální objem materiálu pro vyrubání a zpětné vložení. To má příznivý vliv na spotřebu energie. Zanedbatelný není ani vliv na krajinu.

11. Vrty a jejich zaplňování lze provádět postupně podle ukončení doby skladování VJP.

12. Závěry použitého článku naznačují, že uložení VJP z padesátiletého provozu ETE a EDU by vyžadovalo nejvýše 24 vertikálních vrtů. V tomto odhadu není uvažována možnost napojení jednoho vertikálního vrtu na více vrtů horizontálních.

13. Problém kritičnosti uloženého paliva je jednoduše odhadnutelný z hlediska nulové neutronové interakce mezi uloženými soubory.

14. Intruse je v případě uložení do hlubokých vrtů významně nižší v porovnání s uložením do hloubek stovek metrů.

15. Účinnost hostitelského masivu pro oddělení radioaktivních materiálů od životního prostředí je pro hluboké uložení jednoznačně vhodným faktorem.

16. Uvedené argumenty prokazují, že nové pojetí metody přímého uložení VJP do hlubokých vrtů je variantou, která by měla být s respektem uvážena pro uložení VJP z českých provozovaných i plánovaných jaderných elektráren.

17. Takový přístup si ovšem vyžádá vysoce kompetentní posouzení na odpovědných úrovních, zejména ve schopnosti kvalifikovaně posuzovat fakta, daná i nejistá, s cílem provést úsporně a bezpečně všechny fáze konce jaderného palivového cyklu. Přínosem by bylo i předběžné vyjádření dozorného SÚJB k plnění nároků z hlediska Atomového zákona. Oba takové nároky dosud chybí.

18. Problematika přímého uložení zahrnuje řadu přírodovědných, technických a sociálně-politických oborů. Mezi nimi mají mimořádný význam obory teoretické geologie a geotechniky a také jaderné fyziky a jaderné techniky. To ztěžuje pochopení problému veřejností i politiky.

19. Skutečnost, že VJP bude uloženo v hloubkách s významně hlubší a tím dlouhodobě účinnější geologickou bariérou, je faktorem, který může být využit při vysvětlování bezpečnosti konce jaderného palivového cyklu, zejména v místě uložení.

20. Soustředění na evropskou variantu hlubinného uložení a opomenutí jiných variant řešení může být hodnoceno jako podlehnutí obecně přijímaným mýtům.

Shrnutí

Rychle se rozvíjející podklady, zaměřené na uložení vyhořelého jaderného paliva do hlubokých vrtů získaly v průběhu své tvorby vypracované kalifornskou společností Deep Isolation Inc reálné obrysy. Až dosud prezentované výsledky neumožňují přehlédnout výhody hlubokého uložení a zařazují ho mezi reálné varianty, jejichž přednosti jsou zjevné. Velkým přínosem je využití zkušeností těžařů ropy a zemního plynu s hloubením dlouhých a směrovaných vrtů v USA. Předpokládané pokračování Deep Isolation Inc by mělo ovlivnit světový přístup k reálnému, bezpečnému a úspornému provádění konce jaderného palivového cyklu.

Doc. Ing. Petr Otčenášek, CSc., lektor: RNDr. Pavel Šimůnek

Zdroj: CzechIndustry č. 3.2019