Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen lämpötekninen optimointi

POSIVA-96-03 Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen lämpötekninen optimointi Heikki Raiko VTT Energia Kesäkuu 1 996 POSJVA OY Annankatu 42 D, 00100 HELSINki Puhelin (90) 228 030 Fax (90) 2280 3719

ISBN 951-652-002-2 ISSN 1239-3096 Raportissa esitetyt johtopäätökset ja näkökannat cvat kirjoittajien omia, eivätkä välttämättä vastaa Posiva Oy:n kantaa.

Pesiva-raportti - Posiva report PosivaOy Annankatu 42 D, FIN-001 00 HELSINKI, FINLAND Puh. (90) 2280 30- lnt. Tel. +358 0 2280 30 Raportin tunnus - Report code POSIV A-96-03 Julkaisuaika- Date Kesäkuu 1996 Tekijä(t) - Author(s) Heikki Raiko VTIEnergia Toimeksiantaja(t)- Commissioned by Posiva Oy Nimeke - Title...... KA YTETYN YDINPOLTTOAINEEN LOPPUSIJOITUKSEN LAMPOTEKNINEN OPTIMOINTI Tiivistelmä - Abstract Tässä laskentaraportissa on suoritettu Teollisuuden Voima Oy:n (TVO) ja Imatran Voima Oy:n (IVO) nykyisten ydinvoimalaitosten käytetyn ydinpolttoaineen kallioon tapahtuvan loppusijoituksen lämpötekninen optimointi. On kehitetty menettely, jolla eri ikäinen käytetty polttoaine voidaan sijoittaa kapseleihin siten, että syntyvä jälkilämpöteho kapselia kohti loppusijoitushetkellä on likimain vakio. Loppusijoitusjakson pituutena on pidetty 20-25 vuotta, joka alkaa välittömästi voimalaitosten suunnitellun käyttöiän päätyttyä noin vuonna 2020. Kapselien loppusijoitus on optimoitu siten, että maksimaalinen lämpötila kapselin vaipan ja bentoniitin rajapinnassa pysyy kaikissa tilanteissa asetetun rajan, + 1 00 C, alapuolella. Tässä optimoinnissa määritellään kapselien loppusijoituksessa noudatettava minimietäisyys toisistaan. Tarkastelussa on käsitelty erikseen TVO:n BWR-polttoainetta, IVOn VVER 440-polttoainetta, kolmea eri loppusijoituspaikkaehdokasta (Olkiluoto, Kivetty ja Romuvaara) ja kahta eri kokoista kapseliehdokasta, 9 ja 11 nipun kupari/teräskapselia. ISBN ISSN ISBN 951-652-002-2 ISSN 1239-3096 Sivumäärä - Number of pages Kieli - Language 54 + liitteet Suomi

Pasiva-raportti - Posiva report PosivaOy Annankatu 42 0, FIN-001 00 HELSINKI, FINLAND Puh. (90) 2280 30- lnt. Tel. +358 0 2280 30 Raportin tunnus - Report code POSIV A-96-03 Julkaisuaika - Date June 1996 Tekijä(t) - Author(s) Heikki Raiko VTTEnergy Toimeksiantaja(t)- Commissioned by Posiva Oy Nimeke - Title THERMAL OPTIMISA TION OF THE FINAL DISPOSAL OF SPENT NUCLEAR FUEL Tiivistelmä - Abstract The thermal optimisation for theteollisuuden Voima Oy's (TVO) and Imatran Voima Oy's (IVO) nuclear fuel waste disposal from the current 4 nuclear power units has been studied in this calculation report. A procedure for loading different aged nuclear fuel in canisters in such way, that the decay power per canister is minimised at the stage when the canister is disposed. The length of the disposing period is assumed to be 20-25 years starting immediately after the planned usage period of the current plants in 2020. The disposal of the canisters has been optimised in such way, that the maximum temperature in the interface of the canister mantle and the bentonite buffer keeps always below the set limit, + 1 00 C. In this optimisation the minimum distance between the two neighbouring canisters is calculated. In the assessment the TVO's BWR-fuel, the IVO's VVER 440- fuel, the three repository site candidates (Olkiluoto, Kivetty and Romuvaara), and two different size copper/ steel canisters containing 9 or 11 bundles of fuel waste have been separately investigated and assessed. ISBN ISSN ISBN 951-652-002-2 ISSN 1239-3096 Sivumäärä- Number of pages Kieli - Language 54 + Appendices Finnish

SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO 1 2 KÄYTETYN POLTTOAINEEN MÄÄRÄ- JA P ALAMA-ARVIOT 3 3 POLTTOAINEEN JÄLKITEHON TUOTTOLASKELMAT 6 4 LOPPUSIJOITUSTOIMINNAN AIKATAULU 10 5 LOPPUSIJOITETTAVAN POLTTOAINEEN KAPSELIKOHT AINEN VALINTA 12 6 LOPPUSIJOITUSTILAN LÄMPÖTEKNINEN MITOITUS ERIKOKOI- SILLA KAPSELIV AIHTOEHDOILLA 20 7 KAPSELIKOON VAIKUTUS LOPPUSIJOITUSKUSTANNUKSIIN 38 8 VAIHTOEHTOISET LOPPUSIJOITUSTEKNIIKAT 39 9 LASKELMIEN HERKKYYST ARKASTELUT 44 10 JÄLKILÄMMÖN VAIKUTUKSET MAAN PINNALLA 46 11 YHTEENVETO 48 VIITTEET 53 LIITTEET: Liite 1. Kuvaan 19 liittyvän REPTEM-tietokoneajon lähtöarvot Liite 2. Kuvaan 21 liittyvän REPTEM-tietokoneajon lähtöarvot Liite 3. Kuvaan 22liittyvän REPTEM-tietokoneajon lähtöarvot

1 1 JOHDANTO Tässä selvityksessä suoritetaan Teollisuuden Voima Oy:n TVO 1 ja TVO II voimalaitoslaitosyksiköiden sekä Imatran Voima Oy:n Lo 1 ja Lo 2 voimalaitosyksiköiden käytetyn polttoaineen ennustetun kertymän ja poistapalama-arvojen perusteella optimoitu kapselointija loppusijoitussuunnitelma, joka perustuu kotimaassa kallioperään tapahtuvaan loppusijoitukseen. TVO:n osalta kyseeseen tulevat käytetyt polttoaineet laitosten koko käyttöiältä ja IVO:n osalta noin vuodesta 1991 alkaen kertynyt polttoainejäte. Yhtenä aikataulullisena lähtökohtana on Valtioneuvoston päätös, jonka mukaan loppusijoitus on aloitettava noin vuonna 2020, joka samalla on ajankohta, jolloin nykyisten ydinvoimalaitosten suunniteltu 40 vuoden käyttöikä tulee täyteen. Loppusijoitettavan polttoaineen jälkilämmön teho rajoittaa loppusijoitussuunnittelua siten, että kapseleita loppusijoitustilassa ympäröivän hentoniittimateriaalin lämpötila ei saa nousta pitkäaikaisesti + 100 ne korkeammaksi. Jos hentoniitin lämpötila kohoaa pitkäksi ajaksi yli + 100 "C:n, sen kemiallinen stahiilius vaarantuu. Tästä ehdosta seuraa, että kuhunkin loppusijoituskapseliin on optimaalista sijoittaa sellainen "sekoitus" eri jäähtymisajan omaavaakäytettyä polttoainetta, että syntyvä maksimaalinen jälkilämmön teho on kaikissa kapseleissa likimain sama, jolloin maksimiteho kapselia kohti on luonnollisesti minimissään. Myös kapselin yksikkökokoa tarkastellaan. Kuta suurempi kapseli, sitä enemmän polttoainetta mahtuu yhteen kapseliin ja kapselien valmistus-, täyttö- ja käsittelykustannukset alenevat kapselien lukumäärän pienentyessä. Toisaalta suuremman kapselin suurempi jälkilämpöteho asettaa suurempia jäähdytysvaatimuksia. Kapselin sädettä kasvatettaessa ja korkeuden pysyessä muuttumattomana kapselin kapasiteetti (tilavuus) kasvaa verrannollisesti säteen neliöön, mutta jäähdyttävä säiliön ulkopinta-ala kasvaa vain suoraan säteeseen verrannollisesti. Tästä seuraa, että jälkilämmön aiheuttamat tehotiheydet suuremman kapselin pinnalla kasvavat ja siitä suoraan seuraa kapselia ympäröivään hentoniittikerrokseen korkeampi lämpötila. Kun ympäröivän kallion jäähdytysominaisuuksiin voidaan vaikuttaa ainoastaan kasvattamalla sijoitettavien kapselien etäisyyttä toisistaan, tulee tätäkin tapaa

2 käytettäessä lisäkustannuksia tarvittavan loppusijoitustunnelimäärän (tunnelien pituuden) kasvaessa. Mitä kauemmin jäähdytettyä (välivarastoitua) polttoainetta loppusijoitetaan, sitä suurempi on optimaalinen loppusijoituskapseli ja sitä pienempi on vaadittava kapselien vähimmäisetäisyys toisistaan loppusijoitustilassa. Toisin sanoen loppusijoituksen viivästyttäminen alentaa loppusijoituskustannuksia, mutta samalla välivarastoinnin käyttökustannukset kasvavat.

3 2 KÄYTETYN POLTTOAINEEN MÄÄRÄ- JA PALAMA-ARVIO TVO on arvioinut TVO 1 ja TVO II laitosyksiköiden käytetyn polttoaineen määrää ja poistapalaman kehittymistä koko laitosten suunnitellun 40 vuoden käyttöjakson aikana. Arviossa on mukana polttoaineen tekninen kehittyminen, rikastusasteen ja poistapalaman nostaminen sekä laitosten nimellistehon nostaminen 9% vuonna 1983 ja 15% vuonna 1998. Arvio on esitetty viitteessä [ 1]. Käytettyä ydinpolttoainetta arvioidaan kertyvän yhteensä 10650 nippua, joissa on uraania yhteensä 1873 tonnia. Vuosittain TVO:n eri laitosyksiköiltä poistettavat polttoainemäärät ja poistapalaman arvot on esitetty taulukossa 1. IVO on tehnyt vastaavan arvion Loviisan voimalaitosyksiköillä kertyvästä loppusijoitettavasta polttoaineesta. Arvion mukaan käytettyä ydinpolttoainetta kertyy vuodesta 1991 alkaen yhteensä noin 6167 nippua, joissa on uraania yhteensä 740 tonnia. Arviossa on Loviisan laitosyksikköjä oletettu käytettävän 40 vuoden ajan. Suunniteltujen tehonkorotusten ja polttoainetyypin muutoksien vaikutus ei sisälly arvioon. Mahdolliset pienehköt muutokset eivät kuitenkaan muuta loppusijoituksen optimaalista suunnittelua. Vuosittain IVO:n eri laitosyksiköiltä poistettavat polttoainemäärät ja poistapalaman arvot on esitetty taulukossa 2. Taulukon esittämä yksinkertaistettu arvio johtaa hieman edellä esitettyä suurempaan jätemäärään.

4 TAULUKKO 1. Arvio TVO I ja TVO II laitosten käytetyn polttoaineen määristä ja poistapalaman arvoista suunnitellun käyttöjakson aikana. TVOI TVOII Vuosi Niput kgu/ Palama Niput kgu/ Palama kpl nippu MWdlkgU kpl nippu MWd/kgU 1980 122 178 23 0 0 0 1981 116 178 23 0 0 0 1982 108 178 23 146 178 23 1983 148 178 23 110 178 23 1984 126 178 23 140 178 23 1985 118 178 23 146 178 23 1986 140 178 23 116 178 23 1987 126 178 23 144 178 23 1988 120 178 31 122 178 23 1989 130 178 31 134 178 31 1990 112 172 32 100 178 31 1991 122 172 33 112 178 32 1992 126 172 33 122 181 33 1993 126 174 35 112 181 34 1994 122 174 35 116 181 35 1995 124 174 35 114 184 35 1996 128 174 35 116 184 35 1997 126 174 40 124 184 40 1998 142 174 40 138 184 40 1999 138 172 40 134 184 40 2000 136 172 40 134 177 40 2001 138 172 40 136 177 40 2002 138 172 40 134 177 40 2003 138 172 40 134 177 40 2004 138 172 40 134 177 40 2005 128 172 40 124 177 40 2006 128 172 40 124 177 40 2007 128 172 40 124 177 40 2008 128 172 40 124 177 40 2009 128 172 40 124 177 40 2010 128 172 40 124 177 40 2011 128 172 40 124 177 40 2012 128 172 40 124 177 40 2013 128 172 40 124 177 40 2014 128 172 40 124 177 40 2015 128 172 40 124 177 40 2016 128 172 40 124 177 40 2017 128 172 40 124 177 40 2018 500 172 30 124 177 40 2019 0 0 0 124 177 40 2020 0 0 0 500 177 30

5 TAULUKKO 2. Yksinkertaistettu arvio Lo 1 ja Lo 2 laitosten käytetyn polttoaineen määristä ja poistapalaman arvoista vuodesta 1991 alkaen suunnitellun 40 vuoden käyttöjakson loppuun. Lo 1 Lo2 Vuosi Niput kgu/ Palama Niput kgu/ Palama kpl nippu MWdlkgU kpl nippu MWd/kgU 1991 105 120 36 105 120 36 1992 105 120 36 105 120 36 1993 105 120 36 105 120 36 1994 105 120 36 105 120 36 1995 105 120 36 105 120 36 1996 105 120 36 105 120 36 1997 105 120 36 105 120 36 1998 105 120 36 105 120 36 1999 105 120 36 105 120 36 2000 105 120 36 105 120 36 2001 105 120 36 105 120 36 2002 105 120 36 105 120 36 2003 105 120 36 105 120 36 2004 105 120 36 105 120 36 2005 105 120 36 105 120 36 2006 105 120 36 105 120 36 2007 105 120 36 105 120 36 2008 105 120 36 105 120 36 2009 105 120 36 105 120 36 2010 105 120 36 105 120 36 2011 105 120 36 105 120 36 2012 105 120 36 105 120 36 2013 105 120 36 105 120 36 2014 105 120 36 105 120 36 2015 105 120 36 105 120 36 2016 105 120 36 105 120 36 2017 313 120 30 105 120 36 2018 0 0 0 105 120 36 2019 0 0 0 105 120 36 2020 0 0 0 313 120 30

6 3 POLTTOAINEEN JÄLKITEHON TUOTTOLASKELMAT Käytetyn BWR-polttoaineen jälkilämmön tuotto on arvioitu suoritettujen ORIGEN 2.1 - laskelmien avulla eri poistapalaman ja väkevöintiasteen arvoilla taulukon 3. mukaisiksi. Laskelmat on suorittanut Markku Anttila, VTT Energia. Lämmöntuotto on esitetty myös graafisesti logaritmisella asteikolla aikaväliltä 0, 1-10000 vuotta poistopalamaa 35 MW d/kgu vastaten kuvassa 1. TAULUKKO 3. Käytetyn BWR-polttoaineen lämmöntuotto [WitU] poistapalaman ja jäähtymisajan funktiona ORIGEN 2.1 -laskujen mukaan Jäähtymis- Poistopalama [MW dlkg] ja väkevöintiaste [%] aika [a] 23/2,3 30/3,0 35/3,3 40/3,6 45/3,8 0,1 33540,0 35450,0 36780,0 37990,0 39940,0 0,5 11870,0 13150,0 14110,0 15050,0 16440,0 1,0 6780,0 7734,0 8487,0 9244,0 10340,0 2,0 3488,0 4134,0 4656,0 5194,0 5960,0 3,0 2154,0 2651,0 3056,0 3479,0 4082,0 4,0 1517,0 1930,0 2267,0 2620,0 3127,0 5,0 1192,0 1553,0 1845,0 2154,0 2597,0 6,0 1016,0 1341,0 1603,0 1880,0 2279,0 7,0 912,2 1212,0 1452,0 1706,0 2073,0 8,0 846,4 1127,0 1350,0 1587,0 1931,0 9,0 801,3 1067,0 1278,0 1501,0 1826,0 10,0 768,2 1021,0 1222,0 1435,0 1745,0 20,0 614,3 802,9 951,8 1109,0 1345,0 30,0 524,7 676,0 795,7 921,8 1118,0 40,0 453,8 576,9 675,1 778,1 944,3 50,0 396,3 497,7 579,2 664,7 808,3 100,0 233,9 278,2 316,6 356,5 440,8 200,0 143,7 160,0 176,2 192,7 240,6 300,0 116,2 126,3 136,8 147,1 181,4 600,0 76,2 81,7 87,3 92,6 111,9 1000,0 48,8 52,7 56,6 60,3 72,5 2000,0 24,1 26,8 29,1 31,6 37,8 3000,0 18,2 20,4 22,4 24,5 29,2 6000,0 14,0 15,7 17,2 18,8 22,4 10000,0 11,0 12,3 13,3 14,4 17,3

7 Käytetyn VVER-polttoaineen jälkilämmön tuotto on samoin arvioitu suoritettujen ORIGEN 2.1 -laskelmien avulla eri poistapalaman ja väkevöintiasteen arvoilla taulukon 4. mukaisiksi. Lämmöntuotto on esitetty myös graafisesti logaritmisella asteikolla aikaväliltä 0,1-10000 vuotta poistopalamaa 36 MW dlkgu vastaten kuvassa 2. TAULUKKO 4. Käytetyn WER-polttoaineen lämmöntuotto [WitU] poistapalaman ja jäähtymisajanfunktiona ORIGEN 2.1 -laskujen mukaan Jäähtymis- Poistopalama [MW dlkg] ja väkevöintiaste [%] aika [a] 3013,6 36/3,6 42/3,6 42/4,0 0,08 50000 52900 62300 60800 0,5 16800 18900 22700 22200 1,0 9330 10800 13200 12900 2,0 4760 5700 7050 6830 3,0 2940 3590 4480 4340 4,0 2070 2570 3220 3120 5,0 1620 2030 2550 2470 6,0 1380 1730 2170 2100 7,0 1230 1550 1930 1880 8,0 1140 1430 1780 1730 9,0 1070 1350 1670 1620 10,0 1030 1280 1580 1540 20,0 798 988 1200 1180 30,0 670 826 997 976 40,0 572 703 843 825 50,0 493 605 723 707 75,0 356 436 517 503 100,0 274 335 395 382 200,0 158 190 220 209 300,0 126 149 170 161 600,0 82,6 96,3 108 103 1000,0 53,4 62,8 70,5 67,5 2000,0 28,3 32,7 37,1 35,8 3000,0 22,0 25,3 28,8 27,9 6000,0 17,2 19,6 22,2 21,6 10000,0 13,6 15,4 17,3 16,8

8 100000 10000 100 '\ ' 1\ BWR-POLTTOAINE POISTOP ALAMA 35 MWd/kgU,, Väkevöintiaste 3,3% '- \..4 \ \ 'lllo... ' """ J.4 1\ ), 1.4 t--1-- f--1-- t--1-- f--1-- I-I- \ \.4 r"'l,_ KUVA 1. 10 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0 10000,0 JÄÄHTYMISAIKA VUOSIA Jälkilämmöntuotto (WitU) poistapalaman 35 MWd/kgU arvollajäähtymisajan funktiona BWR -polttoaineelle aikavälillä 0,1-10000 vuotta.

9 100000 \. '\ lllr. J' VVER -440 POLTTOAINE POISTOP ALAMA 36 MWd/kgU Väkevöintiaste 3,6% 10000 100 l '' '' \ J \ ) IJ "... ""!.,..." '' \ J j 1\ \ 1 J!lll KUVA 2. 10 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0 10000,0 JÄÄHTYMISAIKA VUOSIA Jälkilämmöntuotto (WitU) poistapalaman 36 MWdlkgU arvollajäähtymisajan funktiona WER -440-polttoaineelle aikavälillä 0, 1-10000 vuotta.

10 4 LOPPUSUOITUSTOIMINNAN AIKATAULU TVO:n käytetyn polttoaineen huollon kokonaisaikataulu perustuu Valtioneuvoston 10.11.1983 tekemään periaatepäätökseen ydinvoimalaitosten ydinjätehuollon tutkimus-, selvitys- ja suunnittelutyön tavoitteista sekä kauppa- ja teollisuusministeriön 19.3.1991 tekemään päätökseen ydinvoimalaitosten ydinjätehuollossa noudatettavista periaatteista [7]. Päätoimintojen aikataulu on esitetty kuvassa 3. Laitosyksiköillä TVO 1 ja TVO II tuotetaan sähköenergiaa suunnitelmien mukaan vähintään vuoteen 2020 saakka. Tämän mukaisesti ydinjätehuolto-ohjelmassa on perusteena 40 vuoden käytön aikana kertyvä jätemäärä kuitenkin siten, että suunnitelmissa otetaan huomioon laajennusvara. Loppusijoituslaitos rakennetaan suunnitelmien mukaan 2010-luvulla ja se otetaan käyttöön vuonna 2020. Käytetty polttoaine kapseloidaan ja loppusijoitetaan noin 20 vuoden kuluessa, minkä jälkeen kapselointilaitos poistetaan käytöstä ja loppusijoitustilat suljetaan noin vuonna 2050. Aikataulusta seuraa, että loppusijoitustoiminta tapahtuu noin puolta lyhyemmässä ajassa (20 vuotta) kuin käytettyä polttoainetta on tuotettu ( 40 vuotta). Tästä seuraa, että suuri osa korkean poistapalaman omaavasta polttoaineesta on loppusijoitettava vain enintään 20 vuoden jäähdytysajan jälkeen. Polttoaineen sijoitussuunnitteluun vaikuttaa oleellisesti vähän jäähtyneen polttoaineen korkea jälkilämpöteho. Imatran Voima Oy:n ydinvoimalaitoksen käytetyn polttoaineen loppusijoitus vuodesta 1991 alkaen syntyvälle jätteelle tapahtuu Teollisuuden Voima Oy:n omalle jätteelleen suunnitteleman loppusijoitustoiminnan yhteydessä.

11 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 VOIMALAITOSTENKÄYTTÖ KPA-VARASTO, RAKENTAMINEN JA KÄYTTÖ LOPPUSIJOITUKSEN TEKNISET SUUNNITELMAT JA TURV ALLI SUUSANAL YYSIT SIJOITUSPAIKKA TUTKIMUKSET SIJOITUSPAIKAN VALINTA TÄYDENTÄVÄT PAIKKA TUTKIMUKSET JA YKSITYISKOHTAINEN SUUNNITTELU KAPSELOINTILAITOKSEN JA LOPPUSIJOITUSTILOJEN RAKENTAMINEN KAPSELOINTI JA LOPPUSIJOITUS LOPPUSIJOITUSTILOJEN SULKEMINEN KUVA3. TVO:n suunnittelema käytetyn polttoaineen kotimaassa tapahtuvan suoran loppusijoituksen aikataulu, [7].

12 5 LOPPUSIJOITETTAVAN POLTTOAINEEN KAPSELIKOHTAINEN VALINTA Lähtökohtana kapseloinnin ja loppusijoituksen alkaessa noin vuonna 2020 on se, että on olemassa taulukkojen 1 ja 2 mukaisesti eri ikäistä ja eri poistapalaman omaavaa polttoainetta, joka tulee noin 20 vuoden aikana suunnilleen tasaiseen tahtiin kyetä loppusijoittamaan niin, että suurin kapselikohtainen jälkilämmön tuotto olisi minimissään loppusijoitushetkellä. Kapselointilaitoksen suunniteltu maksimikapasiteetti on 90 kapselia vuodessa, mistä aiheutuu loppusijoitustoiminnalle kapasiteettirajoitus. Oleellinen reunaehto on myös se, että loppusijoitettavana on kahta eri tyyppistä polttoainetta, jotka ainakin geometrisilta mitoiltaan poikkeavat oleellisesti toisistaan. BWRpolttoaineniput ovat noin metrin pitempiä kuin VVER-440-niput, joten niiden käsittely on tehtävä erikseen. Kapselit on suunniteltava erikseen molemmille polttoainetyypeille ja käytännössä eri tyyppisiä polttoaineita ja siten myös kapseleita on käsiteltävä kapseloinnissa ja loppusijoituksessa sesonkeina, esim. 6 kk tai vuosi kerrallaan yhtä tyyppiä. Käsiteltävän polttoaineen tyypin vaihto edellyttää kapseloinnissa ja loppusijoituksessa ainakin kapselien ja käsittelyvälineiden vaihtoa sekä loppusijoitusreijän syvyyden muuttamista polttoainetyypin mukaan. Ongelmaa lähdettiin ratkaisemaan numeerisesti siten, että ohjelmoitiin tietokoneohjelma, joka lukee syötetietoinaan taulukkojen 1 ja 2 mukaisetpolttoainemäärä-ja poistopalamataulukkojen tiedot sekä taulukkojen 3 ja 4 mukaiset jälkitehon tuottotiedot Yksittäisen nipun jälkiteho interpoloidaan taulukon 3 tai 4 arvoista sekä palaman että jälkijäähdytysajan suhteen. Näillä tiedoilla ohjelma laskee vuosittaisille käytetyn polttoaineen erille uraanimäärät sekä jälkilämmön tuoton arvot loppusijoitustoiminnan eri vuosina 2021-2041. Nopealla päättelyllä voitiin todeta, että polttoaineen luonnollisin loppusijoitus ikäjärjestyksessä (vanhin ensin, nuoremmat myöhemmin) johtaa hyvin epätasaiseen jälkitehojakautumaan eri kapseleissa. Esimerkiksi vuoden 1980 polttoaineenjälkiteho on 445 W/tU, vuoden 1994 835 W/tU ja vuoden 2008 1321 W/tU vuonna 2021 alkavassa loppusijoituksessa. Kun kaikki kapselit ovat käytännön syistä saman kokoisia ja kaikkiin on luonnollista sijoittaa yhtä monta polttoainenippua, on tehoja tasattava sekoittamalla kuhunkin kapseliin sopivassa

13 suhteessa sekä vanhaa, jäähtynyttä polttoainetta että nuorempaa, mahdollisesti korkeamman poistapalaman omaavaa jätettä. Valitaan polttoaineen laskennallisessa kuvauksessa diskretoinnin perusyksiköksi kunakin kalenterivuonna tuotettu käytetyn polttoaineen määrä. Päättelemällä joitakin mahdollisia yksinkertaisesti toteutettavia vanhemman ja nuoremman polttoaineen sekoitusalgoritmeja ja laskemalla edellä kuvatulla tietokoneohjelmalla tasaisesti vuosina 2021-2041 tapahtuvalle loppusijoitukselle vuosittaiset jälkitehot loppusijoitushetkellä päädyttiin varsin selkeään ja hyvään lopputulokseen: Kunakin loppusijoitustoiminnan vuonna loppusijoitetaan kahden en kalenterivuoden aikana tuotetut käytetyt polttoaineet. Nämä kaksi jäteryhmää ovat tyypillisesti 40 ja 20 vuotta jäähtyneitä ja kumpaakin ryhmää on joka vuosi suunnilleen yhtä suuret määrät saatavilla. - Ensimmäisenä loppusijoitustoiminnan vuonna (2021) loppusijoitetaan laitosten ensimmäisen käyttöjakson (1980 ja käyttöiän 112-välin kohdassa (2000) syntyneet käytetyt polttoaineet. - Seuraavina loppusijoitusvuosina sovelletaan yllämainittua algoritmia jäljellä olevaan käytetyn polttoaineen määrään siten, että toisena loppusijoitusvuotena (2022) siis loppusijoitetaan vuosien 1981 ja 2001 jätteet. - TVO I:n käytön päättyessä vuonna 2018 jäävä loppusydän, 500 nippua, loppusijoitetaan seuraavasti: 128 nippua vuonna 2038, 128 nippua vuonna 2039 ja 244 nippua vuonna 2041. - TVO II:n käytön päättyessä vuonna 2020 jäävä loppusydän, 500 nippua, loppusijoitetaan seuraavasti: 390 nippua vuonna 2040 ja 110 nippua vuonna 2041.

14 Näin edeten kaikki TVO:n laitosten polttoaine on loppusijoitettu vuonna 2041 ja kapselien tehojakautumat eri vuosina loppusijoitushetkellä ovat varsin vakioisia. Laskelman tulokset on esitetty taulukossa 6. Lisäksi kuvissa 4 ja 5 on esitetty edellä esitetyn ohjelman mukaiset vuosittaiset loppusijoitettavan uraanin keskimääräiset jälkitehot (W/tU) ja tonnimäärät, joista on havaittavissa, että kapselikohtainen tehojakautuma on varsin tasainen ja vuosittainen loppusijoitusmäärä on myöskin varsin tasainen. Tällä aikataululla käytetyn polttoaineen keskimääräinen lämpöteho loppusijoitushetkellä on 832 W/tU ja vuosittain loppusijoitettava kapselimäärä on noin 47 kapselia. Käytettäessä keskimääräisen poistapalaman 35 MW d/kgu lämmöntuottokäyrää loppusijoitushetken painotettu keskiarvolämmöntuotto 832 W/tU vastaajäähdytysaikaa 27,7 vuotta. Täsmälleen vastaavalla menettelyllä käsiteltiin laskelmissa IVO:n Loviisan laitosten polttoaine. Polttoaine loppusijoitetaan noin 15 vuoden mittaisena jaksona rinnan TVO:n polttoaineen kanssa samaan loppusijoitustilaan. Tasapainoinen ratkaisu syntyy, kun IVO:n polttoaineen loppusijoitus aloitetaan vuonna 2025 ja se jatkuu vuoteen 2039. Näin loppusijoitustoiminnan alussa, vuosina 2021-2024, kapasiteetti oletetaan hieman keskimääräistä alhaisemmaksi, koska sillä tavoin saadaan kuumemmalle Loviisan polttoaineelle muutama vuosi lisää jäähtymisaikaa. Taulukossa 5 on esitetty IVO:n Loviisan voimalaitosyksikköjen kotimaahan loppusijoitettavan ydinpolttoaineen sijoitusaikataulu ja -strategia. Käytettäessä keskimääräisen poistapalaman 36 MW d/kgu lämmöntuottokäyrää loppusijoitushetken painotettu keskiarvolämmöntuotto 880 W/tU vastaa jäähdytysaikaa 26,7 vuotta. Kuvissa 6 ja 8 on esitetty edellä esitetyn ohjelman mukaiset vuosittaiset loppusijoitettavan uraanin keskimääräiset j älkitehot (W/tU) ja tonnimäärät Loviisan polttoaineen osalta. Laskennallisesti kokeiltiin myös sellaista strategiaa, että ensin sijoitettaisiin Olkiluodon polttoaineet 14 vuoden sesonkina ja heti perään sijoitettaisiin Loviisan polttoaineet 10 vuoden sesonkina. Vaikka loppusijoitusjakson pituudeksi tulisi yhteensä 24 vuotta, olisi tunnelien tarvittava pituus suurempi kuin yllä esitetyssä rinnakkain tapahtuvassa sijoitusmallissa. Kuvassa 8 on esitetty TVO:n ja IVO:n polttoaineiden yhteinen loppusijoitusvolyymi kapseleina eri vuosina.

15 TAULUKKO 5. Loviisan voimalaitoksen käytetyn polttoaineen optimoitu loppusijoitusmenettely 15 vuoden jaksossa. Loppusydänten osuudet sisältävät erät on varjostettu. Merkinnät: 1 = Lo 1, 2 = Lo 2, 1 +2 = Lo 1 :n ja 2:n yhteenlaskettu polttoainemäärä. Sijoitus Jäte 1+2 Jälki- Jäte 1+2 Jälki- Teho Kok. Kapselit vuosi synt. [tu] teho synt. [tu] teho keskim. määrä [kpl] vuosi [W/tU] vuosi [W/tU] [W/tU] [tu] 2025 1991 25,2 776,8 2006 25,2 1011,4 897,0 50,4 38 2026 1992 25,2 776,8 2007 25,2 1011,4 897,0 50,4 38 2027 1993 25,2 776,8 2008 25,2 1011,4 897,0 50,4 38 2028 1994 25,2 776,8 2009 25,2 1011,4 897,0 50,4 38 2029 1995 25,2 776,8 2010 25,2 1011,4 897,0 50,4 38 2030 1996 25,2 776,8 2011 25,2 1011,4 897,0 50,4 39 2031 1997 25,2 776,8 2012 25,2 1011,4 897,0 50,4 38 2032 1998 25,2 776,8 2013 25,2 1011,4 897,0 50,4 38 2033 1999 25,2 776,8 2014 25,2 1011,4 897,0 50,4 38 2034 2000 25,2 776,8 2015 25,2 1011,4 897,0 50,4 38 2035 2001 25,2 776,8 2016 25,2 1011,4 897,0 50,4 39 2036 2002 25,2 776,8 2017 1 '' :. 918,0 848,0 50,4 38 2037 2003 25,2 776,8 2018 25;2 918,0 848,0 50,4 38 2038 2004 25,2 776,8 2019 25,0 918,0 848,1 50,2 38 2039 2005 25,2 776,8 2020. 37;6... 824,7 803,4 62,8 48

16 TAULUKKO 6. Olkiluodon voimalaitoksen käytetyn polttoaineen optimoitu loppusijoitusmenettely 21 vuoden jaksossa. Loppusydänten osuudet sisältävät erät on varjostettu. Merkinnät: I = TVO I, II = TVO II, I+II = TVO I:n ja II:n yhteenlaskettu polttoainemäärä. Sijoitus Jäte l+ll Jälki- Jäte l+ll Jälki- Teho Kok. Kapselit vuosi synt. [tu] teho synt. [tu] teho keskim. määrä [kpl] vuosi [W/tU] vuosi [W/tU] [W/tU] [tu] 2021 1980 21,7 448,1 2001 47,8 1109,0 902,6 69,5 36 2022 1981 20,6 448,0 2002 47,5 1109,0 908,6 68,1 35 2023 1982 45,2 448,0 2003 47,5 1109,0 786,5 92,7 48 2024 1983 45,9 448,0 2004 44,0 1109,0 783,9 93,4 48 2025 1984 47,3 448,0 2005 44,0 1109,0 766,3 91,3 47 2026 1985 47,0 448,0 2006 44,0 1109,0 767,5 91,0 47 2027 1986 45,6 448,0 2007 44,0 1109,0 772,6 89,5 46 2028 1987 48,1 448,0 2008 44,0 1109,0 763,8 92,0 47 2029 1988 43,1 517,6 2009 44,0 1109,0 816,3 87,0 45 2030 1989 47,0 588,3 2010 44,0 1109,0 840,0 91,0 47 2031 1990 37,1 598,3 2011 44,0 1109,0 875,4 81,0 42 2032 1991 40,9 617,5 2012 44,0 1109,0 872,1 84,9 45 2033 1992 43,8 626,9 2013 44,0 1109,0 868,5 87,7 45 2034 1993 42,2 656,2 2014 44,0 1109,0 887,3 86,2 45 2035 1994 42,2 665,5 2015 44,0 1109,0 891,7 86,2 44 2036 1995 42,2 665,5 2016 44,0 1109,0 890,9 86,5 45 2037 1996 43,6 665,5 2017 44,0 1109,0 888,1 87,6 45 2038 1997 44,7 766,8 2018 440 955,7 860,4 88,7 45 2039 1998 50,1 766,8 2019 1 44;0 955,7 855,1 94,1 49 2040 1999 47,5 766,8 2020 69;0 802,9 788,2 116,5 60 2041 2000 47,1 766,8 61,4 764,8 765,7 108,5 58

17 1000 800 1\..;,.,., V... - / r---... 600 400 Loppusijoitettavan ydinpolttoaineen keskimääräinen 200 jälkilämpöteho W/tU 0 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035 2036 2037 2038 2039 2040 2041 LOPPUSIJOITUSVUOSI KUVA4. TVO:n ydinpolttoaineen jälkilämmön tuotto (WitU) loppusijoitushetkellä. 60 40 / r---. V - V -1""""' V -- V V f" 20 Vuosittain loppusijoitettava kapselimäärä (kpl) TVO:n polttoaineet 1 0 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035 2036 2037 2038 2039 2040 2041 LOPPUSIJOITUSVUOSI KUVA5. TVO:n loppusijoitettavan polttoaineen kapselimäärä vuosina 2021-2041.

18 1000 800 600 Loppusijoitettavan 400 ydinpolttoaineen keskimääräinen jälkilämpöteho W/tU 200 0 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035 2036 2037 2038 2039 LOPPUSIJOITUSVUOSI KUVA6. IVO:n ydinpolttoaineen jälkilämmön tuotto (WitU) loppusijoitushetkellä. 50 40 _... -- if 1 30 20 10 Vuosittain loppusijoitettava kapselimäärä (kpl) IVO:n polttoaineet 0 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035 2036 2037 2038 2039 LOPPUSIJOITUSVUOSI KUVA7. IVO:n loppusijoitettavan polttoaineen kapselimäärä vuosina 2025-2039. Jakson lopussa oleva reaktorisydänten purkamisesta aiheutuva huippu voidaan tasata seuraavaan vuoteen.

19 100 Loviisan polttoaineet Olkiluodon polttoaineet 0 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035 2036 2037 2038 2039 2040 2041 LOPPUSIJOITUKSEN AJANKOHTA KUVA8. TVO:n ja IVO:n loppusijoitettavan polttoaineen yhteismäärä (kapselia) vuosina 2021-2041. Vuoden 2039 kohdalle laskennallisesti tuleva huippu voidaan tasata esim. siirtämällä noin 20 kapselin loppusijoitus seuraavalle vuodelle.

20 6 LOPPUSUOITUSTILAN LÄMPÖTEKNINEN MITOITUS ERI KOKOISILLA KAPSELIV AIHTOEHDOILLA Loppusijoitustilan lämpötila-analyysejä erilaisilla kapseli- ja sijoitteluvaihtoehdoilla tehtiin REPTEM-tietokoneohjelmalla [3], Ohjelma laskee ajasta riippuvien viivalähteiden aiheuttaman epästationäärisen lämpötilakentän analyyttisen ratkaisun äärettömän suuressa kolmiulotteisessa kappaleessa. Maan pinnan tasolle voidaan laskentamallissa asettaa peilisymmetrinen reunaehto, jonka avulla maan pinnan lämpötila voidaan määrätä pysymään vakiona. Tällä tavoin voidaan kuvata kallion pinnasta maaperään, veteen ja ilmakehään siirtyvän lämmön aiheuttama reunaehto, joka pitkällä aikavälillä (satojen... tuhansien vuosien) on melko tarkkaan vakio. Tietokoneohjelman lähtötietonaan käyttämä jälkilämmöntuottotiedosto päivitettiin taulukon 3 tai 4 mukaiseksi sekä ohjelmassa muutettiin varioitavaksi parametriksi kapselin ulkohalkaisija ja hentoniittikerroksen paksuus, jotta eri kokoisten kapselin laskenta tulisi täsmällisemmäksi. Lisäksi ohjelmaitua koodia päivitettiin vastaamaan nykyisiä ohjelmointikielen standardeja, mikä mahdollisti ohjelman käyttämisen myös esim. tavallisessa PC-koneessa. Laskelmissa käytettiin seuraavia fysikaalisten parametrien arvoja, jotka perustuvat kirjallisuudessa ( esim. [8]) esitettyihin sekä TVO:n sijoituspaikkaehdokkaiden kallionäytteistä mitattuihin tyypillisiin arvoihin [5]. Bentoniitin osalta käytetään konservatiivisesti kuivan tilan lämmönjohtavuuden arvoa, taulukko 7. Saturoituneen bentoniitin lämmönjohtavuus on kaksinkertainen, 1,5 W/m/K. Täytetyn loppusijoitustunnelin lämpöteknisten arvojen pieni poikkeama kallion vastaavista arvoista ei vaikuta näkyvästi näissä tarkasteluissa tutkittuihin kapselin ja bentoniittibufferin lämpötiloihin. Tällaisia johtopäätöksiä on tehty esim. [8]:ssa suoritettujen tarkastelujen perusteella. Samaten kapselin metallirungon lämmönjohtavuus on niin suuri (yli satakertainen kallioon verrattuna), että kapselin lämpötila kaikkialla metallivaipassa on käytännössä tiettynä ajanhetkenä täsmälleen vakio.

21 TAULUKKO 7. Loppusijoitusympäristön fysikaalisia arvoja. Kallion lämmönjohtavuus (Olkiluoto), [5] Kallion lämmönjohtavuus (Kivetty & Romuvaara), [5] Bentoniitin lämmönjohtavuus (kuivana), [8] Kallion lämpökapasiteetti, [8] 3,0W/rnK 2,7W/mK 0,75W/m/K 750 J/kg/K Kallion tiheys, [8] 2700 kg/m 3 Laskentatapauksina analysoitiin lämpötiloja perusratkaisun mukaisessa suorakaiteen muotoisessa (n. 600 m x 500 m) loppusijoitustilassa kahdella erilaisella kapselivaihtoehdolla, 9 nipun ja 11 nipun kapselilla. Taulukossa 8 on esitetty eri tapausten numeeriset lähtötiedot TAULUKKO 8. Tietoja polttoaineista, loppusijoituskapseleista ja niiden sijoittelusta loppusijoitustilassa 21 vuoden pituisessa loppusijoitussuunnitelmassa. TVO:n polttoaine IVO:n polttoaine Kapselin ulkohalkaisija [mm] 800/980 800/980 Kapselin korkeus [mm] 4400 3450 Hentoniittikerroksen paksuus kapselin ympärillä [mm] 350 350 Keskimääräinen palamasovite [MW d/kgu] 35 36 Todellinen jäähtymisaika [a] 20-40 20-35 Jälki j äähtymisaika (painotettu) [ a] 27,7 26,7 Loppusijoitusjakson pituus [a] 21 15 Keskimääräinen lämpöteho kapseloitaessa [W/tU] 832 880 Uraania yhteensä [tu] 1873 740 Uraanimäärä kapselissa [tu 1,60/1,96 1,08/1,32 Kapselien lukumäärä yht. [kpl] 1184/969 686/561 Loppusijoitustunnelipareja yhteensä (TVO+IVO) [kpl] 20 20 Tunnelien etäisyys toisistaan [m], (nimellismitta 25m) muuttuja muuttuja Tunnelien pituus keskustunnelista lukien enintään [m] 300 300 Kapselien etäisyys toisistaan [m], (nimellismitta 6 m) muuttuja muuttuja REPTEM-ohjelma laskee lämmönlähteiden kallioperään aiheuttamia lämpötilakentän muutoksia ajan funktiona. Noin 500 m syvyydellä loppusijoituspaikkakuntaehdokkaiden

22 peruskalliossa lämpötila on mittauksien mukaan + 7 - + 12 l)c [11]. Loppusijoitustilan käyttöjakson aikana (20-30 vuotta) loppusijoitustilan ilmastointi pitää luolaston sisälämpötilan noin + 18 ()C:ssa. Tästä johtuen lähialueella kallion peruslämpötila saattaa nousta muutaman asteen. Laskelmissa oletetaan, että koko kalliomassan alkulämpötila on+ 15 l)c ja näin ollen bentoniitin maksimilämpötila ( = kapselin pintalämpötila) saa siis nousta tästä enintään 85 l)c pysyäkseen alle + 100 ()C:n. Käyttäen taulukon 7 mukaisia materiaalien fysikaalisia ominaisuuksia ja taulukon 8 mukaisia kapseli-, polttoaine- ja loppusijoitustietoja suoritettiin REPTEM-tietokoneohjelmalla lämpötilatarkastelu Olkiluodon kallion lämmönjohtavuusarvolla 3,0 W/m/K sekä 9 nipun kapselilla että 11 nipun kapselilla. Loppusijoitusaikataulu oli sekä 9 nipun kapselin että 11 nipun kapselin vaihtoehdossa taulukkojen 5 ja 6 mukainen 21 vuoden ohjelma. Laskelmat tehtiin erikseen TVO:nja IVO:n polttoaineille. Kuvissa 9-11 on esitetty erilaisten laskettujen kapselien poikkileikkauksien piirrokset päämittoineen. Kuvan 9 kapselirakenteet on kupari- ja teräslieriöstä muodostuvia ns. ACPkapseleita, joissa sisälle jäävä tyhjä tila on täytetty rakeisella täyteaineella, lisätietoja viitteessä [9]. Kuvissa 10 ja 11 on esitetty uudempi kiinteällä integroidulla sisärakenteella varustettu kapselikonstruktio, joissa kantava teräs/rautalieriö, polttoaineteline ja täyteaine on korvattu yhtenäisellä teräs- tai pallografiittivalua olevalla massiivisella sisärakenteella. 0 \0 Q N 0 00 Q ACP BWR KUVA9. ACP VVER-440 9-nipun kapselin poikkileikkaukset BWR- ja WER -440-polttoainetta varten.

23 ABB Atom BWR-polttoaine 11 nippua pituus 4200 mm Kulmat pyöristetty RlOmm 0 00 00 Q 50 KUVA 10. II-nipun kapselin poikkileikkaus BWR -polttoainetta varten. VVER 440 polttoaine 11 nippua pituus 3250 mm 155 0 00 00 Q D 170 KUVA 11. II-nipun kapselin poikkileikkaus WER-440-polttoainetta varten.

24 Laskentaohjelmiston tulosten oikeellisuus varmistettiin suorittamalla vertailulaskelmia yksinkertaisien pistelähdetapauksien tunnettuihin analyyttisiin ratkaisuihin. Varmistuksen vuoksi suoritettiin myös vertailulaskelma viitteessä [8]:ssa esitettyihin diagrammeihin l/c1 ja 7 /C3. Tulos oli referenssissä esitetyn tulospiirroksen lukutarkkuuden puitteissa identtinen. Tulokset osoittautuivat yhteneviksi, mutta samalla todettiin, että REPTEM-ohjelman tarkkuus on riippuvainen aika-askeleen pituudesta. Tarkkuuden varmistamiseksi kaikki tässä raportissa esitetyt lämpötilalaskelmat on laskettu 0,01 vuoden (3,65 päivän) aika-askeleella, joka testeissä havaittiin riittävän lyhyeksi. Taulukon 8 mukaisilla lähtöarvoilla laskettiin 9 ja 11 nipun kapseleilla sekä Olkiluodon että Loviisan polttoainetyypeillä ja eri loppusijoituspaikkojen kallion ominaisuuksilla kapselien metallivaipan ja samalla sitä ympäröivän bentoniitin maksimaaliset lämpötilan nousut pitämällä kapselien etäisyyttä toisistaan muuttujana. Kapselin maksimaalinen lämpötilan nousu esiintyy loppusijoitustilan keskialueella noin 15-20 vuoden kuluttua siihen paikkaan tapahtuneen loppusijoituksen jälkeen. Kuvissa 12 ja 13 on esitetty TVO:n polttoainetta sisältävän kapselin maksimaalinen lämpötilan nousu vallitsevaan alkuperäiseen ympäristön lämpötilaan verrattuna. Kuvissa 14 ja 15 on esitetty vastaavat tulokset IVO:n polttoainetta sisältäville kanistereille. On huomattava, että 9 nipun ACP-kapseli on ulkohalkaisijaltaan vain 800 mm, kun 11 nipun kapselit ovat ulkohalkaisijaltaan 980 mm. Olkiluodon ja toisaalta Kivetyn ja Romuvaaran käyrät poikkeavat toisistaan kyseisten paikkakuntien kallion lämmönjohtavuusominaisuuden eroavuudesta Olkiluodon kallioon nähden. Kuvissa 16 ja 17 on esitetty vastaavat tulokset, kun Sijoitustunnelien etäisyyttä toisistaan varioidaan ja kapselien etäisyyttä toisistaan pidetään vakiona ( 6 m). Korkein sallittava lämpötilan nousu on 85 "C, jos bentoniitin maksimilämpötila halutaan rajoittaa + 100 oc:hen. Loppusijoitustunneleissa kapselien IDinimietäisyydet toisistaan voidaan esitetyissä tapauksissa valita optimoiden siten, että laskettu maksimilämpötilan nousu pysyy erilaisissa kallioissa ja erilaisilla kapseleilla sallituissa rajoissa. Kapselin sisällä vallitsevia lämpötiloja ylläkuvatuissa maksimilämpötilaolosuhteissa on analysoitu erikseen esim. viitteessä [ 6].

25 100---------------------- 95+------r------ BWR POLTTOAINE 11 NIPPUA/KAPSELI PALAMA 35 MWd/kgU JÄÄHDYTYSAIKA 27,7 a Lämmönjohtavuus A= 2,7 W/mK Lämmönjohtavuus A= 3,0W/mK 70---------------------- 7 8 9 10 Kapselien etäisyys toisistaan (m) KUVA 12. TVO:n BWR-polttoaineen 11 nipun kapselissa aiheuttama maksimaalinen lämpötilan nousu eri paikkakuntien kalliossa.

26 100---------------------------- BWR POLTTOAINE 9 NIPPUA/KAPSELI PALAMA 35 MWd/kgU JÄÄHDYTYSAIKA 27,7 a "-' cj rjj. 90-------T------------+-----------.,..., +-1.,..., 0 0 +-1 0 Q).,r:; ;:j rjj Lämmönjohtavuus A= 2,7 W/mK ;:j 85---------- 8 -------------.,..., 0 $...! ;:j 0 80+------------+------+----------- +-1 :o s :C\$ Lämmönjohtavuus A= 3,0W/mK 70+------------+------------+----------- 5 6 7 8 Kapselien etäisyys toisistaan (m) KUVA 13. TVO:n BWR-polttoaineen 9 nipun ACP-kapselissa aiheuttama maksimaalinen lämpötilan nousu eri paikkakuntien kalliossa.

27 105,-... ro C/l C/l...-!...-!...-! VVER-440 POLTTOAINE 100 11 NIPPUA/KAPSELI PALAMA 36 MWd/kgU JÄÄHDYTYSAIKA 26,7 a 95 90 0 Q)..0 :::i C/l :::i 0...-! :::i :::i C/l 85 80... ro p :o s :ro 75 Lämmönjohtavuus A= 2,7 W/mK Lämmönjohtavuus 70 A= 3,0W/mK 65+------------------------------------- 5 6 7 8 Kapselien etäisyys toisistaan (m) KUVA 14. IVO:n WER-polttoaineen 11 nipun kapselissa aiheuttama maksimaalinen lämpötilan nousu eri paikkakuntien kalliossa.

28 105 g '-" ro rj) rj)... +-1... 0 +-1 0 Q)..0 ;::::s rj) ;::::s 0 0... ;...; ;::::s ;::::s rj) 0... ro +-1 :o s :ro 100 95 90 85 80 75 VVER-440 POLTTOAINE 9 NIPPUA/KAPSELI PALAMA 36 MWd/kgU JÄÄHDYTYSAIKA 26,7 a Lämmönjohtavuus A.= 2,7 W/mK 70+-------------+- Lämmönjohtavuus Å=3,0W/mK 65+-------------+----------------------- 4 5 6 7 Kapselien etäisyys toisistaan (m) KUVA 15. IVO:n WER-polttoaineen 9 nipun ACP-kapselissa aiheuttama maksimaalinen lämpötilan nousu eri paikkakuntien kalliossa.

29 100------------------------ c;j r./) r./)...... l::l 0 l::l C)..0 90+---------+---------r- ;::::$ 0 l::l l::l... ;::::$ ;::::$ r./) l::l... :o BWR POLTTOAINE 11 NIPPUA/KAPSELI PALAMA 35 MWd/kgU JÄÄHDYTYSAIKA 27,7 a KAPSELIEN ETÄISYYS TOISISTAAN VAKIO 6 m Lämmönjohtavuus A= 2,7 W/mK sss---------------------- :C\$ Lämmönjohtavuus A= 3,0W/mK so-------------------------- 25 30 35 40 45 Tunnelien etäisyys toisistaan (m) KUVA 16. TVO:n BWR-polttoaineen 11 nipun kapselissa aiheuttama maksimaalinen lämpötilan nousu eri paikkakuntien kalliossa, kun varioidaan sijoitustunnetien etäisyyttä toisistaan ja pidetään kapselien etäisyyttä toisistaan vakiona 6 metrinä.

30 105----------------------------,-... "-"' VVER-440 POLTTOAINE 11 NIPPUA/KAPSELI PALAMA 36 MWd/kgU JÄÄHDYTYSAIKA 26,7 a KAPSELIEN ETÄISYYS TOISISTAAN V AKIO 6 m 95------ ---------------------- """""' """""' """""' 0 a)..0 90+----------------- rjj 0 Lämmönjohtavuus A= 2,7 W/mK """""' rjj 85+--------------+--------r------------- """""' :o s = 80-+--------1 Lämmönjohtavuus A= 3,0W/mK 75---------------------------- 20 25 30 35 Tunnelien etäisyys toisistaan (m) KUVA 17. IVO:n WER- polttoaineen 11 nipun kapselissa aiheuttama maksimaalinen lämpötilan nousu eri paikkakuntien kalliossa, kun varioidaan Sijoitustunnelien etäisyyttä toisistaan ja pidetään kapselien etäisyyttä toisistaan vakiona 6 metrinä.

31 Lämpötilan muuttumista kapselien metallivaipassa ajan funktiona eri paikoissa on esitetty kuvassa 19. Kun kapselin korkein esiintyvä lämpötilanousu on asetettu sopivaksi valitsemalla kapselien etäisyys toisistaan kuvissa 12-17 esitettyjen suunnittelukäyrästöjen perusteella, saadaan kaikilla kapselityypeillä ja polttoainetyypeillä likimain samanlaiset aikariippuvuudet lämpötilan nousulle kapselien metallivaipoissa. Kuvassa 19 esiintyviä lämpötilakäyriä vastaavat tyypilliset kapselien sijainnit loppusijoitustilassa selvitetään alla olevassa kuvassa 18. Y -sivun keskellä Keskustunneli 1 1 1 1 1 1 Alueen keskipiste 1/4 piste Alueen nurkkapiste X-sivun keskellä 20 tunnelia 25 m välein KUVA 18. Kapselin ja bentoniitin rajapinnan lämpötilojen tulostuspisteiden sijainnit.

32 90 80 70 60 20 KAPSELIN LAMPOTILAN NOUSU 0 =ALUEEN KESKIPISTE 0 =1/4 PISTE 10 L}. =V-SIVUN KESKELLA + =X-SIVUN KESKELLA <>=ALUEEN NURKKAPISTE 0-------------------------------4 0 10 20 30 40 50 AIKA (a) 60 70 80 90 100 KUVA 19. Kapselin ja bentoniitin rajapinnan lämpötilan nousu ajan funktiona eri paikoissa loppusijoitustilaa. Sijaintimerkinnät on selvitetty kuvassa 18. Tämän tapauksen lähtötiedot: Olkiluoto, 11 nipun kapseli, tunnelien etäisyys 25 m, reikien etäisyys 8 m, BWR-polttoaine, loppusijoitusjakson pituus 21 vuotta.

33 Samoilla lähtöarvoilla laskettiin myös kallion lämpötiloja loppusijoitustilassa ja loppusijoitustilan ja maan pinnan välillä eri korkeuksilla. Mitä kauempana lämmönlähteistä ollaan, sitä pidemmän ajan kuluttua saavutetaan maksimilämpötilan nousu kyseisessä paikassa. Huomaa kuvien 21 ja 22 pidempi aikaskaala. Kuvissa 21 ja 22 esiintyviä lämpötilakäyriä vastaavat tulostuspisteiden sijaionit loppusijoitustilassa selvitetään alla olevassa kuvassa 20. Nämä pisteet sijaitsevat kalliossa loppusijoitustunnelien välissä keskikohdalla sekä toisessakin suunnassa kapselien keskivälillä. Kuvassa 22 on tulostettu kallion lämpötiloja eri syvyyksillä loppusijoitustilan keskikohdan yläpuolella. Laskentamalleissa loppusijoitustila sijaitsee tasolla -500 m. ""'""' Y -sivun keskellä Keskustunneli 1 1 1 1 1 1 Alueen keskipiste 114 piste Alueen nurkkapiste 1 1 X X-sivun keskellä 20 tunnelia 25 m välein KUVA 20. Kallion lämpötilojen tulostuspisteiden sijainnit. Pisteet sijaitsevat ko. kohdassa kalliossa mahdollisimman kaukana ympärillä olevista neljästä kapselista.

34 50 45 - - l -- 40 35 15 10 5 KALLION LAMPOTILAN NOUSU 0 =ALUEEN KESKIPISTE <> = 1/4-PISTE /J. =V-SIVUN KESKELLA - + = X-SIVUN KESKELLA 0 =ALUEEN NURKKAPISTE 0 KUVA 21. 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 AIKA (a) Kallion lämpötilan nousu ajan funktiona eri paikoissa loppusijoitustilaa. Paikkamerkinnät on selvitetty kuvassa 20. Olkiluoto 111 nipun kapseli.

35 50 45-1 - 40 35 KALLION LAMPOTILAN NOUSU 0 =TASOLLA -500 m 0 = TASOLLA -400 m /j, =TASOLLA-300m + =TASOLLA-200m <>=TASOLLA-100m 10 5 0.----------------------------------------------------------------------------- 0 200 400 600 800 1 000 1200 1400 1600 1800 2000 AIKA (a) KUVA 22. Kallion lämpötilan nousu ajan funktiona loppusijoitustilan keskikohdan yläpuolella eri tasoissa kalliota. Loppusijoitustila sijaitsee tasolla -500 m.

36 Tutkitaan vielä tarkemmin lämpötilakentän muotoa kapselin lähialueella siinä tilanteessa, missä saavutetaan hentoniittikerroksen maksimaaliset lämpötilanousut Kuvan 19 mukaisesti lämpötilanousun maksimi hentoniitin ja kapselin rajapinnalla saavutetaan noin 20 vuoden kuluttua kapselin asennuksesta loppusijoitustilan keskivaiheilla sijaitsevissa kapseleissa. Kun otetaan tarkasteluleikkaus kahden loppusijoitustunnelin välillä kahden 25 metrin etäisyydellä toisistaan olevien kapseleiden välillä ajanhetkellä 20 vuotta loppusijoituksesta, saadaan kuvan 23 mukainen lämpötilajakautuma. Kapselin ja hentoniitin rajapinnassa on ajanhetkellä 20 vuotta lämpötilan nousu +81 ne, hentoniitin ja kallion rajapinnassa +50 e. Tunnelien välisessä n. 25 m paksuisessa kalliokannaksessa kahden kapselin välissä lämpötilan nousu on alimmillaan samana ajankohtana noin + 33 e. Tästä voidaan heti nähdä, että kuivaksi oletetun hentoniitin huonompi lämmönjohtavuus kalliomateriaaliin verrattuna aiheuttaa 350 mm paksuiseen hentoniittikerrokseen varsin suuren lämpötilagradientin, noin 30 ne. Jos hentoniitin lämmönjohtavuudeksi asetetaan hentoniitin saturoituneen tilan vastaava arvo 1,5 W /mlk, saadaan maksimilämpötilan nousuksi muutoin vastaavassa laskentatilanteessa +66 ne ja hentoniitin ja kallion rajapinnassa +53 e. Tässä tapauksessa maksimitilanne esiintyy noin 30 vuotta loppusijoituksen tapahduttua.

37 KAPSELI +81 c / KALLIO SYMMETRIA TASO +33C 11660 350 KUVA 23. Lämpötilan nousun jakautuma bentoniitissa ja loppusijoitustunnelien välisessä kalliokannaksessa loppusijoitustilan keskialueella ajanhetkellä 20 vuotta, 21 vuoden loppusijoitusjakso, 11 nipun BWR-polttoainekapseli (Olkiluoto). Kuviin 19, 21 ja 22 liittyvien REPTEM-tietokoneajojen lähtöarvojen yhteenvedot ovat tämän selostuksen liitteinä 1, 2, ja 3 vastaavasti.

38 7 KAPSELIKOON VAIKUTUS LOPPUSUOITUSKUSTANNUKSIIN Jos aiemmin suunnitellun 9 nipun kapselin (ACP-kapseli) sijasta voidaan käyttää 11 nipun kapselia, tarvittavien kapselien lukumäärä pienenee 18%, joten seuraavissa toiminnoissa saavutetaan kustannussäästöj ä: - kapselien materiaali ja valmistus - kapselointi - kapselien käsittely ja kuljetukset - loppusijoitusreikien poraus (lukumäärä laskee, koko kasvaa) - bentoniitin määrä ja asennus (lukumäärä laskee, koko kasvaa) - loppusijoitusreikien täyttö ja sulkeminen. Yllä mainittujen toimintojen osalta kustannussäästö 9 nipun kapseliratkaisuun verrattuna arvioidaan olevan luokkaa 10%. Suuremman kapselin valinnalla tulee myös joihinkin toimintoihin lisäkustannuksia. Tällaisia voivat olla esim.: - kapselien loppusijoitusetäisyys toisistaan on 11 nipun kapseleilla suurempi kuin 9 nipun kapseleille, kun lämpötilan maksiminousu kapselin ja bentoniitin rajapinnassa pidetään samana (noin 85 oc), - integroitu sisärakenne ( valuteräs tai pallografiittivalu) nostaa kapselin painoa, ulkohalkaisij aa ja valmistuskustannuksia, kapselin suurempi kokonaispaino vaatii järeämmät käsittelylaitteet ja - suurempi säteilylähde kapselissa ja kapselin alikriittisyysvaatimus vaativat paksummat seinämät kapselin vaippaan ja sisälle nippujen välille, - suurempi loppusijoitusreikä tunneliin ja - suurempaan reikään tarvitaan eristeeksi enemmän bentoniittia. Taloudellisuuden suhteen arvioiden ylläesitetyn perusteella suuremp1 kapselivaihtoehto vaikuttaa eri tekijät huomioon ottaen vain jonkin verran edullisemmalta.

39 8 VAIHTOEHTOISET LOPPUSIJOITUSTEKNIIKAT Kapselikoon vaihtoehtojen lisäksi on tutkittu kapselien Ioppusijoitustavan lämpöteknisiä vaikutuksia. KBS-3 tyyppisen perusratkaisun (kuva 24) eräänä variaationa on esitetty mahdollisuutta tehdä loppusijoitusreiät syvemmiksi ja asettaa kaksi kapselia päällekkäin samaan reikään (kuva 25). Tämä ei kuitenkaan johda oleellisiin säästöihin. Porattava kivimäärä pysyy likimain samana, bentoniittia tarvitaan sama määrä ja esim. [8]:ssa on todettu, että kyseinen ratkaisu johtaa aivan tarkkaan samaan tunnelimäärään ja uraanitonnia kohti tarvittava loppusijoitustilan pinta-ala pysyy vakiona. Toisena mahdollisena variaationa on tarkasteltu mahdollisuutta sijoittaa kapselit vaakasuoraan asentoon loppusijoitustunnelin sivuille vuorottain toiselle ja toiselle puolelle porattuihin sijoitusreikiin (kuva 26). Tällä tavoin loppusijoitustilan pinta-alaa voidaan pienentää noin 10%. Tämän vaihtoehdon lievä paremmuus johtuu siitä, että tässä tapauksessa yksittäisten kapselien minimietäisyydet toisistaan ovat keskimäärin suurempia kuin muissa esitellyissä vaihtoehdoissa. Näin perusratkaisuun verrattuna vuorottain sijoitustunnelin kummakin sivulla olevien sijoitusreikien etäisyys toisistaan tunnelin suunnassa voisi olla esim. 8,0 metrin sijasta 7,2 metriä. Lämpöteho pinta-alayksikköä kohti tulee kuitenkin rajoittavaksi tekijäksi yleensä samoissa vaiheissa kuin bentoniitille sallitun korkeimman lämpötilan ehto. Perusratkaisun eräänä variaationa voidaan myös pitää kapselien asettamista vaakasuoriin tunneleihin (kuva 27). Tällaisten Sijoitustunnelien etäisyys toisistaan olisi sama25m kuin on perusratkaisun Sijoitustunnelien etäisyys. Lämpöteknisessä mielessä vaakasuoriin tunneleihin tapahtuva loppusijoitus tulee samanarvoiseksi perusratkaisun kanssa, kun kapselien (keskipisteiden) etäisyys toisistaan on yhtä suuri. Kun kapselin oma pituus on 4,5 m, olisi vaakatunneleihin sijoitettava kapselien väliin 1,5-3,5 m pituiset täytepalat kapselityypistä ja koosta riippuen. Tätä ratkaisua voidaan siten lämpöteknisessä mielessä verrata esim. kuvan 24 mukaiseen perusratkaisuun, jonka lämpötila-analyysin tulokset on esitetty kuvassa 19. Perusratkaisua on ajateltu myös sijoiteltavaksi kahteen kerrokseen, esim. siten, että loppusijoitustasojen väliä korkeussuunnassa olisi 100 m. Kuvassa 28 on hahmotelma ratkaisusta.

40 Kaikissa lähemmin tarkastelluissa vaihtoehdoissa loppusijoitustunnelien etäisyys toisistaan on ollut vähintään 25 m, jota rakennusteknisistä syistä ei voine enää pienentää. Pelkästään lämpöteknisessä mielessä optimaalisin tilanne loppusijoitustilan kapselisijoittelun suhteen on se, että kapselit sijaitsevat samalla tasajaolla kalliossa sekä x- että y-suunnassa. Tällainen ratkaisu johtaisi kuitenkin tunnelimäärän huomattavaan kasvuun, eikä olisi lähelläkään taloudellista optimia. c._------,,.------,-----4. 3300 1680 :< >... 4100 1500 12500 4500 7500 :::::: 500....QQ....... 500....... KUVA 24. Perusratkaisu. KUVA 25. Kaksi kapselia päällekkäin.

1 1 1 41 3300 2500 1 1 450 1-/,/1 / 1 1 1 1 1 KUVA 26. Vaakasijoitusratkaisu viistosti sijoitustunnelin molemmille puolille. SIVUTUNNELI BETONI- KAPSELI S TULPPA 01... :< >;.c: >: 4.5 m 1.5 m 250m BETONI- KESKUSTUNNELI KUVA 27. Vaakatunneliratkaisu.

42 Keskustunnelit Loppusijoitustunnelit KUVA 28. Perusratkaisu kaksikerroksisena. Kaksikerrosratkaisun lämpötiloja voidaan laskea superponoimalla esim. kuvan 19 ja kuvan 22 ratkaisut sopivasti yhteen. Kyseiset lämpötilakomponentit, samalla tasolla olevien kapselien vaikutus ja 100 m etäisyydessä olevan samanlaisen tason vaikutus on piirretty käyrinä kuvaan 29. Samassa kuvassa on myös käyränä mainittujen tekijöiden summa eli eri kerrosten yhteisvaikutus. Maksimilämpötilan nousu bentoniitissa eri lämmönlähteiden yhteisvaikutuksesta nousee alle 0,5 C, joten maksimilämpötila ei tule rajoitukseksi, vaan jälkilämpöteho pinta-alayksikköä kohti rajoittaa loppusijoitettavien kapselien määrää. Sallittava maksimiteho loppusijoitustilan pinta-alayksikköä kohti määräytyy alueen kallion lujuudesta ja rikkonaisuudesta lähellä maan pintaa.

43 90 80 KAKSIKERROSRATKAISU D = Tasolla -550 m olevien kapselien vaikutus -550 m tasolla _ 0 = Tasolla -450 m olevien kapselien vaikutus -550 m tasolla ll. = Summavaikutus tasolla -550 m 70 60 20 10 0---------------------------------- 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 AIKA (a) KUVA29. Kaksikerrosratkaisun lämpötilat referenssitapauksessa. Vastaava tulos yksikerrosratkaisuna on esitetty kuvassa 19.

44 9 LASKELMIEN HERKKYYSTARKASTELUT Edellä esitetyt lämpötilalaskelmat on tehty taulukon 7 mukaisilla tyypillisillä lämmönjohtumiseen liittyvillä fysikaalisilla arvoilla ja taulukon 8 mukaisilla käytetyn polttoaineen sekä loppusijoitustilan geometrian suunnitteluarvoilla. Kaikki arvot on pyritty valitsemaan realistisesti. Konservatiivisuutta todennäköisesti sisältyy kuitenkin ainakin seuraaviin olettamuksiin: bentoniitin lämmönjohtavuudelle on käytetty konservatiivisesti mneen kuivan tilan arvoa 0,75 W/m/K, joka on 50% alhaisempi kuin saturoituneen bentoniitin arvo ja - loppusijoitustilan geometria on laskentamallissa oletettu likimain neliön muotoiseksi (500 x 600 m), pitkulaisempi tai useista erillisistä osa-alueista muodostuva tila jäähtyy paremmin. Kun kuvan 19 mukaista laskentatulosta (loppusijoitus Olkiluodon kallioon 21 vuoden jaksossa alkaen vuonna 2021) pidetään referenssinä, josta saatiin maksimaaliseksi lämpötilan nousuksi kapselin ja bentoniitin rajapinnalla +81 C, saadaan yhtä muuttujaa kerralla muuttamalla seuraavan taulukon 9 mukaiset muutokset maksimaaliseen lämpötilan nousuun. Kallion fysikaalisten ominaisuuksien suhteen laskenta ei ole erityisen herkkä. Lopputuloksen muutos on alle puolet lähtöarvon suhteellisesta muutoksesta. Maksimilämpötilan nousuun voidaan herkimmin vaikuttaa viivästyttämällä loppusijoituksen aloittamista (pidentämällä jäähdytysaikaa) tai kapseleita ympäröivän bentoniitin ominaisuuksiin vaikuttamalla esim. keinokastelulla. Jos hentoniitti on loppusijoitushetkestä alkaen saturoituneessa tilassa, kapselin ja bentoniitin rajapinnan maksimilämpötila asettuu noin 15 "C alemmaksi ja samalla maksimin esiintymisajankohta viivästyy noin 10 vuodella.