Polska Alternatywa Strategiczna Materiałów Barierowych dla składowisk odpadów z elektrowni jądrowych

Założenia projektu:

Figura 1: Mapa Polski z zaznaczonymi zasięgami występowania bogatych w smektyty iłów poznańskich i iłów mioceńskich Zapadliska Przedkarpackiego, na czerwono zaznaczono wstępnie wytypowane lokalizacje istotnych złóż sorbentów smektytowych.

Rozpoczęty po latach opóźnień polski program energii jądrowej oraz budowa elektrowni jądrowych w Polsce stanowi kluczowy element niezależności energetycznej Polski, a także ważny wkład do ograniczenia emisji zanieczyszczeń biosfery prowadzących do zmian klimatu na Ziemi. Jednym z niewielu potencjalnie negatywnych aspektów energetyki jądrowej jest generowanie odpadów promieniotwórczych w postaci wypalonego paliwa jądrowego. Pomimo częściowego recyklingu lub neutralizacji wypalonego paliwa (np. odzyskiwanie uranu i plutonu), końcowym produktem życia paliwa jądrowego jest zawsze odpad promieniotwórczy (Caurant and Majerus, 2021). Po schłodzeniu na terenie elektrowni przez okres średnio kilku lat w celu obniżenia najwyższej aktywności, odpady muszą trafić na odpowienio wykonane i zabezpieczone składowisko. Podczas gdy odpady wzglednie krótkożyciowe (np. ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²⁴⁴Cm) – których aktywność może być bardzo wysoka ale czas połowicznego rozpadu jest na tyle krótki, że do obniżenia aktywności do bezpiecznego poziomu wystarczy składowanie powierzchniowe (do 500 lat; Art 53A Prawo Atomowe), długożyciowe odpady (np. ²⁴¹Am, ²³⁷Np, ¹²⁹I oraz pochodne ich rozpadu) muszą trafić do składowiska podziemnego, które zapewni ich izolację od biosfery przez tysiące lat potrzebne na obniżenie aktywności izotopów o długim okresie półrozpadu. Warunki geologiczne i geotechniczne głębokiego składowiska odpadów promieniotwórczych (SGOP) muszą pozwalać na przewidywanie pełnej izolacji odpadów przez okres nie mniejszy niż 10 000 lat (Art 53A Prawo Atomowe) choć studiowane na świecie scenariusze przewidywanej migracji pierwiastków promieniotwórczych ze składowiska obejmują nawet do 1 miliona lat (Dixon, 2019).

Podziemne składowisko musi spełniać wiele warunków geologicznych i technologicznych, i jest częścią wielobarierowego systemu zabezpieczającego przed przedostaniem się radionuklidów do środowiska (Figura 1). Wszystkie plany budowy barier dla odpadów nuklearnych na świecie zakładaja podobną procedurę postępowania: odpady są stapiane ze szkliwem borokrzemianowym i umieszczane w kanistrach miedziowych lub stalowych. Kanistry te z kolei umieszczane są w bloku bentonitowym (bufor), stanowiącym barierę sorbentową i hydrauliczną. Kanistry z blokami stanowią część podziemnego systemu, którego korytarze wypełnione zostaną masą bentonitową lub iłową (backfill). Ciepło emitowane przez odpady promieniotwórcze w kanistrach indukuje reakcje w obrębie minerałów bentonitu, interakcję bentonitu z wodami porowymi oraz na kontakcie z metalem kanistra. W zależności od założeń inżynierskich dystrybucji i składu odpadów, temperatura na kontakcie kanistra i bentonitu może osiągać do 250°C (Kaufhold et al., 2021, 2023; Zandanel et al., 2022). Kombinacja składu i tekstury bentonitu barierowego z wodami porowymi i składem kanistra oraz typem i składem skały zbiornikowej SGOP musi zatem tworzyć stabilną środowiskowo barierę dla składowania radionuklidów przez tysiące lat pomimo początkowo wysokiej temperatury.

Kilka dekad energetyki jądrowej w najbardziej rozwiniętych państwach świata pozwoliło na przeprowadzenie wielu zaawansowanych badań nad materiałami barierowymi i wyborem lokalizacji głębokich składowisk. Ostatnie 20 lat przyniosło ogromny postęp naukowy i zrozumienie mechanizmów i tempa migracji radionuklidów w materiałach barierowych, pozwalając przewidzieć ich zachowanie na tysiące lat. Zaakceptowany niedawno rządowy program Polski Atom, w tym nowe Prawo Atomowe oraz aktualizacja "Krajowego planu postępowania z odpadami promieniotwórczymi i wypalonym paliwem jądrowym" (Krajowego Planu) przewiduje utworzenie w Polsce głębokiego składowiska dla wypalonego paliwa jądrowego i innych długożyciowych odpadów promieniotwórczych, w tym utworzenie podziemnego laboratorium. Generalnie, w zależności od lokalnej budowy geologicznej, wyróżnia się szereg kryteriów i trzy potencjalne środowiska geologiczne dla umiejscowienia podziemnego składowiska. Są to skały krystaliczne (np. Szwecja, Finlandia), osadowe skały ilaste (np. Belgia, Szwajcaria, Francja), i komory solne (np. Niemcy). Dominujący w literaturze naukowej na temat polskich składowisk pogląd sugeruje wykorzystanie komór kopalni w obrebie wysadów solnych na Kujawach (Ślizowski et al., 2003; Lankof, 2020), z uwagi na plastyczność i samozamykanie szelin, oraz skrajnie niską przepuszczalność skały solnej.

Figura 2: Przykładowy schemat głębokiego składowiska odpadów promieniotwórczych (SGOP).

Krajowy Plan (Rozdział 6) zakłada program intensywnych prac badawczych nad sorbentami stanowiącymi części barier ochronnych składowiska. Używane w scenariuszach barierowych bentonity muszą spełniać szereg kryteriów, w tym wysoką zawartość smektytu, wysoką pojemność kationowymienną, niską przepuszczalność hydrauliczną oraz stabilność termiczną i odporność na potencjalne przemiany w czasie wymaganym na wygaszenie promieniotwórczości odpadów (Pusch, 2002a.b; Kim et al., 2011; Dixon, 2019). Światowe badania nad materiałami buforowymi dla odpadów nuklearnych są prowadzone wspólnie przez kilkadziesiąt państw. Jedną z takich wspólnych inicjatyw jest centrum testowania materiałów sorpcyjnych w wysokotemperaturowych, wieloletnich eksperymentach pozwalających przewidzieć zmiany parametrów materiałów barierowych, usytuowane w podziemnym laboratorium w Äspö (Szwecja). Każde z państw-sygnatariuszy centrum eksperymentalnego Äspö proponowało swoj material do testów. Były to głównie bentonity oraz kilka materiałów typu iłów bentosowych pochodzenia głebokomorskiego. Mimo że Polska formalnie nie uczestniczyła w tych eksperymentach, zespół Wnioskodawcy bierze udział w zaawansowanych badaniach materiałów z Äspö, używając technik badawczych rozwijanych we własnych laboratoriach (Derkowski i Bristow, 2012; Zeelmaekers et al., 2015; Kuligiewicz et al., 2015; Kanik et al., 2022).

Pomimo obfitości bentonitów u naszych sąsiadów (Ukraina, Słowacja, Niemcy), bentonity właściwe występują w Polsce w niewielkiej ilości. Polskie sorbenty naturalne to przede wszystkim mioceńskie iły montmorylonitowe Zapadliska Przedkarpackiego, mioceńskie bentonity i iły bentonitowe południowego obrzeżenia Gór Świętokrzyskich, neogeńskie iły beidellitowe (w obrebie iłów Poznańskich) środkowej i północnej Polski, i bogate w smektyt trzeciorzdowe zwietrzeliny bazaltów Dolnego Śląska i Opolszczyzny (Żabiński, 2008; Żabiński 2008a; Kłapyta i Żabiński, 2008; Dyjor et al. 2008; i literatura cytowana tamże). Nie były one nigdy testowane pod kątem spełnienia wymogów barierowych SGOP.

W dynamicznie zmieniającym się świecie trudno przewidzieć jak wyglądać będzie współpraca przemysłowa i strategiczna Polski z sąsiednimi krajami za 10 lub 20 lat; na ile możliwe politycznie, a technologicznie lub finansowo opłacalny będzie import bentonitów z krajów ościennych. Bez względu na sytuację geopolityczną w przyszłości, odpady promieniotwórcze z elektrowni jądrowych będą istniały i będą wymagały zabezpieczenia stosownych ilości materiałów barierowych o wymaganych parametrach. Strategiczne bezpieczeństwo Polski wymaga, aby materiały barierowe dla głębokiego składowiska odpadów promieniotwórczych były dostępne do pozyskania z obszaru Polski. Celem niniejszego projektu jest określenie lokalizacji potencjalnych złóż takich materiałów w Polsce, w ilościach wymaganych dla składowiska, a także określenie ich parametrów według przyjętych na świecie kryteriów dla składowisk głebokich, w tym przetestowanie ich stabilności w warunkach zbliżonych do składowania, oraz wybór najlepszych materiałów.

Figura 3:  Pochodzenie bentonitów i iłów smektytowych oraz struktura smektytu i illitu

Do góry