VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND LTD Kaasujen muodostuminen matala-aktiivisen jätteen loppusijoituksessa Minna Vikman Ydinjätteiden loppusijoituksen mikrobiologia-seminaari 24.4.2018
Esityksen sisältö Johdanto Matala-aktiivinen jäte Geologinen loppusijoitus Kaasujen muodostuminen In-situ Gas Generation Experiment (GGE) Valikoituja tuloksia kokeesta Johtopäätökset FESEM kuva Kaasunkehityskokeesta poistetun huoltojätteen pinnalta 2
Matala-aktiivinen jäte (LLW) Ydinvoimalaitoksen käytössä ja huollossa kertyy matala- ja keskiaktiivista jätettä, jota sanotaan voimalaitosjätteeksi (VLJ). Matala-aktiivinen < 1 MBq/kg Keskiaktiivinen 1 MBq/kg -10 GBq/kg. Ydinvoimayhtiöt huolehtivat itse LLW koostumus: Paperi, pahvi, puuvilla Palonsuojakankaat (lasikuitu) Muovit (PE,PVC), lateksi Metallit (koneen osat ja putket) Sekalaista jätettä Matala-aktiivisen jätteen siilo Olkiluodossa Kuva: Posiva Oy 3
Matala-aktiivisen jätteen geologinen loppusijoitus Puristettava matala-aktiivinen jäte pakataan 200 litran tynnyreihin ja tiivistetään Olkiluoto: Tynnyrit sijoitetaan betonilaatikoihin Kalliosiilo 60-100 metrin syvyydessä Loviisa: Loppusijoitustunnelit 110 metrin syvyydessä Loppusijoituksen päättyessä tilat täytetään betonilla Olkiluodon loppusijoitustila: LLW ILW Kuva: TVO 4
Kaasujen muodostuminen loppusijoituksessa Anaerobiset olosuhteet 1. Biohajoavan orgaanisen jätteen hajotessa mikrobiologisesti: C - - -> CO 2, CH 4, (H 2 ) 2. Teräksen korroosiossa: Fe (s) +2 H 2 O (l) à Fe(OH) 2 (s) + H 2 (g) 3. Ionisoiva säteily aiheuttaa orgaanisissa materiaaleissa kemiallisia reaktioita, joiden tuloksena syntyy esim. vetyä ja kaasumaisia hiiliyhdisteitä (Radiolyysi). Ei oteta huomioon turvallisuusanalyyseissä 5
Kaasujen muodostumisen vaikutukset Metallien aktivoitumistuotteena muodostunut 14 C voi kulkeutua kaasun mukana Loppusijoitustilan ylipaineistuminen Voi vaikuttaa vapautumisesteiden toiminta Voi lisätä pohjaveden virtausta à Vaikutus radionuklidien kulkeutumiseen Kuva: Vikman et al. Matala- ja keskiaktiivisen ydinjätteen loppusijoituksen mikrobiologiset riskit Suomessa VTT Technology 273 6
Sijoitettu VLJ-luolaan Olkiluotoon Kaasunkehityskoe (GGE) 1997-16 tynnyriä (200 dm 3 ) täytettiin matala-aktiivisella jätteellä, tynnyrit sijoitettiin terästankkiin. Tynnyrit hiiliterästä (1 mm) Tynnyreissä eri määriä selluloosapitoista jätettä (5%, 39%, 95%) Tankki täytettiin jokivedellä Lämpötila ylläpidettiin +8 C - +11 C TVO:n ylläpitämä Kuva: Small et al., 2008 avoin betoni astia 7
Kaasunkehityskokeen analyysit Muodostuneen kaasun määrä ja koostumus Kemialliset määritykset vedestä (esim. ph, Ca 2+, K +, Na +, Mg 2+, Fe 2+, Cl -, SO 4 2-, HS -, DOC, DIC) Mikrobiologiset määritykset Mikroskopia, molekyylibiologiset menetelmät (qpcr, sekvensointi) Vesi (Tynnyrit, tankkivesi) Teräslevyn ja huoltojätettä sisältävät kapselit 8
Kaasujen muodostuminen Kaasua alkoi muodostua nopeasti aloituksen jälkeen Kokeesta vapautunut kaasu sisältää pääasiassa metaania (80-95%) ja pieniä määriä vetyä, typpeä, happea ja hiilidioksidia Vety alle määritysrajan Mikrobit kuluttavat nopeasti Rautapitoisuuden kasvu - korroosio Kaasua muodostunut tähän mennessä n. 10% laskennallisesta määrästä? GRM malli = biogeokemiallinen malli Small et al. 2017, Applied Geochemistry 84, 360-372 9
Heterogeeniset olosuhteet Kemialliset olosuhteet olivat alussa hyvin heterogeeniset (ph, DOC) Tankkivesi / tynnyrit Tankin ala-osa /tankin yläosa Betoni nosti ph:ta erityisesti tankin yläosassa (Ca(OH) 2 ) ph laski neutraaliksi ajan kuluessa Muodostunut hiilidioksidi sitoutui alkaliseen tankkiveteen (CaCO 3 )? Veteen liuennut CO 2 karbonisoi betonia? 10
Kaasujen muodostumiseen vaikuttavat mikrobit Selluloosaa ja hemiselluloosaa hydrolysoivat mikrobit Metanogeenit Asetaattia hyödyntävät Vetyä ja hiilidioksidia hyödyntävät Metanogeenien kanssa kilpailevat mikrobit (elektronin vastaanottajista) Sulfaatinpelkistäjät 11
Metanogeenit Vetyä ja hiilidioksidia käyttävät metanogeenit (hydrogenotrofiset) dominoivat Asetaattia käyttäviä metanogeenejä (asetoklastiset) havaittiin 2005 Methanosaeta voi käyttää vain asetaattia Tulokset vahvistavat GRM mallin tuloksia Methanosaeta 16S amplicon sequencing 12
Sulfaatinpelkistäjät Kilpailevat metanogeenien kanssa elektronien luovuttajista (esim. H 2, haihtuvat rasvahapot) Voivat vaikuttaa kaasujen muodostuminen Voivat osallistua korroosioon Desulfovibrionales Syntrophobacterales Suhteellinen määrä on vähentynyt metanogeenien määrään verrattuna 13
Sulfaatinpelkistys Sulfaatinpelkistäjiä löytyy, mutta ne eivät pelkistä sulfaattia Sulfaatti alle määritysrajan Sulfaatinpelkistyminen aktivoitui lisättäessä sulfaattia tai sulfaattipitoista pohjavettä. Pohjaveden virtaus loppusijoitustilaan voi väliaikaisesti vähentää kaasun muodostumista Pohjavesi: SO 4 2- mg/l S mg/l VLJ-KR9 180 1 0.07 1 +++ KKK-koe: KKK - - - KKK+ SO 4 100 0.03 2 ++ KKK+ VLJ- KR9 36 <0.03 2 + Sulfaatinpelkistys nmol/cm 3 d 1 = 10.10.2017, 2 = 13.10.2015 14
Korroosionopeus Kapselin sisällä oleva teräslevy Teräslevyjen korroosionopeus oli suurin tynnyrissä, joka sisälsi eniten selluloosapitoista jätettä (97%) Myös korkea rautapitoisuus on osoitus korroosiosta 15
Yhteenveto Heterogeeniset olosuhteet loppusijoituksessa aikaansaavat optimaalisia alueita mikrobien kasvulle Tankin ph laski neutraalille tasolle odotettua nopeammin Kaasua muodostui Selluloosapitoisen jätteen (C) hajotessa mikrobiologisesti (CH 4 ) Teräksen korroosiossa (rautapitoisuuden kasvu) Kaasun muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä: Kemialliset olosuhteet (esim. ph, sulfidipitoisuus) Heterogeeniset olosuhteet Metanogeenien kanssa kilpailevat mikrobit Sulfaatinpelkistäjät Sulfaattipitoisen pohjaveden virtaus loppusijoitustilaan 16
Julkaisuja Small, J., Nykyri, M., Vikman, M., Itävaara, M., Heikinheimo, L., The biogeochemistry of gas generation from low-level nuclear waste: Modelling after 18 years study under in situ conditions, Applied Geochemistry. Elsevier. Vol. 84 (2017), 360-372. Matala- ja keskiaktiivisen ydinjätteen loppusijoituksen mikrobiologiset riskit Suomessa, 2016. VTT Technology 273, 41 s. ISBN 978-951-38-8457-4 http://www.vtt.fi/julkaisut Vikman, M., Marjamaa, K., Itävaara, M. 2016. Microbiological degradation of LLW under repository, Proceedings of MIND Project Annual Meeting, Granada, Spain, 3-4.5.2016. Luettavissa http://www.mind15.eu 17
Kiitokset KYT Kansallinen ydinjätehuollon tutkimusohjelma ja VTT This project has received funding from the Euratom research and training programme 2014-2018 under grant agreement No. 661880 Teollisuuden Voima Oyj (TVO): Kirsi Weckman, Nina Paaso, Liisa Heikinheimo, Tuire Haavisto Mikko Nykyri, Safram Oy Joe Small, National Nuclear Laboratory Our research team at VTT: Hanna Miettinen Malin Bomberg Mirva Pyrhönen Anna Manninen Kaisa Marjamaa Markus Olin Merja Itävaara Irina Tsitko 18
Kiitos